Uma plataforma de sensoriamento de fibra óptica com ponta de silicone com alta resolução e resposta rápida

Este trabalho relata uma ponta de silicone fibra óptica sensoriamento plataforma inovadora (Si-FOSP) para medição de alta resolução e resposta rápida de uma variedade de parâmetros físicos, como temperatura, fluxo e radiação. Aplicações deste Si-FOSP abrangem de investigação oceanográfica, indústria mecânica, a investigação sobre energia de fusão.

Neste artigo, apresentamos uma inovador e promissor praticamente fibra óptica sensoriamento plataforma (FOSP) que propôs e demonstrado recentemente. Este FOSP depende de um interferômetro de Fabry-Perot de silício (FPI) anexado à extremidade da fibra, referida como Si-FOSP neste trabalho. O Si-FOSP gera uma interferogramas determinada pelo comprimento do percurso óptico (OPL) da cavidade de silício. Mensuranda altera o OPL e, assim, desloca a interferogramas. Devido as propriedades únicas de ópticas e térmicas do material do silicone, este Si-FOSP apresenta um desempenho vantajoso em termos de sensibilidade e velocidade. Além disso, a indústria de fabricação de silício maduro dota a Si-FOSP com excelente reprodutibilidade e baixo custo para aplicações práticas. Dependendo as aplicações específicas, será utilizada uma versão fineza de baixa ou alta-fineza, e dois métodos de demodulação de dados diferentes serão adoptados em conformidade. Protocolos detalhados para fabricar as duas versões de Si-FOSP serão fornecidos. Três aplicações representativas e seus resultados de acordo serão mostrados. O primeiro que é um termômetro subaquática de protótipo para criação de perfil thermoclines o oceano, o segundo é um medidor de fluxo para medir a velocidade de fluxo no oceano, e o último é um Bolómetro para monitorar radiação escape de magnètica confinados plasma de alta temperatura.

Sensores de fibra óptica (FOSs) têm sido o foco de muitos pesquisadores, devido a suas propriedades únicas, tais como o seu pequeno tamanho, baixo custo, sua leveza e sua imunidade à interferência eletromagnética (EMI)¹. Estes FOSs tem encontrado aplicações largas em muitas áreas como monitoramento ambiental, vigilância do oceano, exploração de petróleo e processos industriais, entre outros. Quando se trata do sensoriamento de temperatura-relacionada, o FOSs tradicional não são superiores em termos de resolução e velocidade para os casos onde a medição de minuto e variações de temperatura rápida é desejável. Estas limitações decorrem as propriedades ópticas e térmicas do material em que se baseiam muitos FOSs tradicional sílica fundida. Por um lado, o coeficiente thermo-óptica (TOC) e o coeficiente de expansão térmica (TEC) de sílica são 1.28x10^-5 RIU / ° C e 5.5x10^-7 m/(m·°C), respectivamente; esses valores levam a uma sensibilidade de temperatura de apenas cerca de 13 pm / ° C em torno do comprimento de onda de 1550 nm. Por outro lado, a difusividade térmica, que é uma medida da velocidade da temperatura muda em resposta a troca de energia térmica, é só 1.4x10^-6 m²/s para sílica; Esse valor não é superior para melhorar a velocidade de FOSs baseada em sílica.

A plataforma de sensoriamento de fibra óptica (FOSP) relatada neste artigo rompe as limitações acima do FOSs baseada em sílica fundida. O novo FOSP utiliza silício cristalino como a chave de detecção de material, que forma um interferômetro de Fabry-Perot de alta qualidade (FPI) na extremidade da fibra, aqui referida como FOSP ponta de silício (Si-FOSP). A Figura 1 mostra o princípio esquemático e operacional da cabeça do sensor, que é o núcleo do Si-FOSP. A cabeça do sensor consiste, essencialmente, um silicone FPI, cujo espectro de reflexão apresenta uma série de franjas periódicas. Interferência destrutiva ocorre quando o OPL satisfaz 2nL = Nλ, onde n e L são o índice de refração e comprimento da cavidade de silício FP, respectivamente, e N é um número inteiro que é a ordem do entalhe franja. Portanto, posições de franjas de interferência são sensíveis para o OPL da cavidade de silício. Dependendo as aplicações específicas, o silício FPI pode ser feito em dois tipos: FPI fineza de baixa e alta-fineza FPI. Baixo-fineza FPI tem uma baixa refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício, enquanto alto-fineza FPI tem uma alta refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício. Os reflectivities de interfaces ar-silício e silício-fibra são aproximadamente 30% e 18%, assim o único silício FPI mostrado na Figura 1a é essencialmente um baixo-fineza FPI. Revestindo com uma camada fina de alta-refletividade (HR) em ambas as extremidades, um silicone de alta-fineza que FPI é formado (Figura 1b). Refletividade do revestimento HR (dielétrico ou ouro) pode ser tão elevada como 98%. Para ambos os tipos de Si-FOSP, n e L aumentam quando a temperatura aumenta. Assim, ao monitorar o deslocamento da franja, pode-se deduzir a variação de temperatura. Observe que para a mesma quantidade de mudança de comprimento de onda, alta-fineza FPI dá uma melhor discriminação devido o entalhe de franja mais estreito (Figura 1C). Enquanto a alta-fineza Si-FOSP tem melhor resolução, o baixo-fineza Si-FOSP tem uma maior gama dinâmica. Portanto, a escolha entre estas duas versões depende das exigências de uma aplicação específica. Além disso, devido à grande diferença de largura total no máximo meia (FWHM) do silício fineza de baixa e alta-finesse FPUs, seus métodos de demodulação do sinal são diferentes. Por exemplo, a FWHM teórica de 1.5 nm é reduzido por sobre 50 vezes para apenas 30 pm quando ambas as extremidades do silício única FPI são revestidas com uma camada de HR de 98%. Portanto, para o baixo-fineza Si-FOSP, um espectrômetro de alta velocidade seria suficiente para a coleta de dados e processamento, enquanto um escaneamento laser deve ser usado para demodular o alta-fineza Si-FOSP devido a FWHM muito mais estreita que não pode ser resolvido por bem o espectrômetro. Os dois métodos de demodulação serão explicados no protocolo.

O material de silicone escolhido aqui é superior para sensores de temperatura em termos de resolução. Como comparação, o TOC e TEC de silício são 1.5x10^-4 RIU / ° C e 2.55x10^-6 m/(m∙°C), respectivamente, levando a uma sensibilidade de temperatura de cerca de 84.6 pm / ° C, que é cerca de 6,5 vezes maior que a de todos baseados em sílica FOSs².  Além desta muito maior sensibilidade, demonstrámos um comprimento de onda médio rastreamento método para reduzir o nível de ruído e assim melhorar a resolução de um sensor de baixo-fineza, levando a uma resolução de temperatura de 6 x 10^-4 ° C ², em comparação com a resolução de 0,2 ° C para uma todas baseadas em sílica FOS³. A resolução é melhorada para ser 1.2x10^-4 ° C para uma versão de alta-fineza⁴.  O material de silicone também é superior para sensoriamento em termos de velocidade. A título de comparação, a difusividade térmica de silício 8.8x10^-5 m/s², que é mais de 60 vezes maior que a de silicone².  Combinado com uma pegada pequena (por exemplo, 80 µm de diâmetro, 200 µm de espessura), o tempo de resposta de 0,51 ms para um silício que FOS tem sido demonstrado a², em comparação com os ms 16 de um acoplador de microfibra de sílica ponta temperatura sensor⁵.  Embora algumas pesquisas trabalho relacionado à medição da temperatura usando a película muito fina de silício, como o sensoriamento material foi relatado por outros grupos^6,7,8,9, nenhum deles possui o desempenho de nossos sensores em termos de velocidade ou de resolução. Por exemplo, o sensor com uma resolução de apenas 0,12 ° C e um tempo de resposta longo de 1 s foi relatado. ⁷ que uma melhor resolução de temperatura de 0,064 ° C tem sido relatado,¹⁰;  no entanto, a velocidade é limitada pela cabeça sensor relativamente volumosos. O que torna as mentiras de Si-FOSP exclusivas no novo método de fabricação e algoritmo de processamento de dados.

Além das vantagens acima para sensores de temperatura, o Si-FOSP também pode ser desenvolvido em uma série de sensores de temperatura-relacionada com o objetivo de medir parâmetros diferentes, tais como gás pressão¹¹, ar ou água fluir^{12,13 ,14} e radiação^4,15.  Este artigo apresenta uma descrição detalhada do sensor protocolos de demodulação de fabricação e sinal juntamente com três aplicações representativas e seus resultados.

1. fabricação de sensores de baixo-Finesse

1. Fabrica os pilares de silício. Um pedaço de bolacha de silicone 200 µm de espessura duplo-lado-polido (DSP) de padrão em pilares de silício standalone (Figura 2a), usando a fabricação padrão sistema de micro-electro-mecânicas (MEMS) facilita.
   Nota: A bolacha padronizada é ligada em outra bolacha de silicone maior usando uma camada fina de fotorresiste. A força de ligação do fotorresiste é forte o suficiente para segurar os pilares na vertical, mas também é fraco o suficiente para desconectar-se de substrato para etapas posteriores.
2. Prepare a fibra de lead-in. Descascar o revestimento plástico da extremidade distal de uma fibra óptica de modo único. Limpe a seção despojada usando um lenço embebido com álcool. Cleave a fibra limpada usando um cutelo de fibra óptica.
3. Aplique uma camada fina de cola UV-curable na face final da fibra clivada lead-in (Figura 2b). Colocar uma pequena gota de cola UV-curable em um pedaço de lâmina de vidro. Fina camada de cola por rotação-revestimento ou balançando manualmente a lâmina de vidro. Transferi a camada de cola à extremidade da fibra, pressionando a cara da extremidade da fibra lead-in contra a lâmina de vidro.
4. Anexe um pilar de silício à extremidade da fibra. Enquanto isso, monitorar o espectro de reflexão em tempo real do silício FPI usando um espectrômetro, alinhar a fibra de lead-in com um dos pilares do silicone. Use uma lâmpada UV para curar a cola, quando um espectro satisfatório é observado (Figura 2C).
   Nota: em geral, o processo de cura leva cerca de 10 a 15 minutos.
5. Desconecte o sensor do substrato. Após o UV cola está totalmente curada, levante a fibra de lead-in junto com o pilar de silício extraído do substrato (Figura 2d).
   Nota: Alguns fotorresiste residual é permaneceu na superfície superior do pilar silício (Figura 2e). Para a maioria dos casos, o fotorresiste residual não afeta a função do sensor. Se necessário, a camada de fotorresiste pode ser removida pelo álcool.
6. Examine a cabeça do sensor fabricados. Use um microscópio para examinar a geometria da cabeça do sensor fabricados. Uma imagem típica de um sensor com sucesso fabricado é vista na Figura 2f.

2. fabricação de sensores de alta-Finesse

1. Casaco de ambos os lados de um wafer de silício com espelhos de alta refletividade. Casaco de um lado de uma bolacha de silício de 75 µm de espessura duplo-lado-polido com uma 150 nm ouro camada grossa usando uma máquina de revestimento de pulverização catódica e revestimento do outro lado com um espelho de dielétrico alta refletividade (HR).
   Nota: O revestimento dielétrico de HR foi feito por uma empresa externa; refletividade deste revestimento foi testada para ser nada menos que 98% pela empresa. No entanto, materiais detalhados e estrutura do revestimento são desconhecidas devido a proteção patenteada pela empresa, consulte a Tabela de materiais , para obter mais informações.
2. Prepare a fibra colimada lead-in. Juntar uma pequena seção de índice graduado fibra multi-modo (GI-MMF) com uma fibra de modo único e em seguida, sob um microscópio óptico, cleave o GI-MMF com um quarto do período da trajetória do luz dentro do MMF à esquerda para formar um colimador de fibra (Figura 3a ).
   Nota: O GI-MMF é usado para expandir o diâmetro do campo modal para que um espectro com uma melhor visibilidade pode ser obtido de^4,16. O comprimento da GI-MMF, que é em torno de 250 µm, neste trabalho, é exatamente um quarto do período da trajetória do raio.
3. Anexe um fragmentado do dobro-lado do silicone revestido a fibra de lead-in. Monte um sensor de alta-fineza seguindo as etapas similares de anexar um pilar de silício à extremidade da fibra para a fabricação de sensores de baixo-fineza (passos 1.3-1.5).
   Nota: O lado com o revestimento dielétrico será anexado para o colimador para deixar entrar a luz vinda (Figura 3b, 3C). Neste caso, o pilar de silício anterior é substituído com um fragmento de silício, que não foi padronizado. No futuro, o wafer de silício padronizada será revestido com os espelhos de alta refletividade, para que os sensores são mais uniforme e mais fácil para a fabricação. A diferença entre as etapas de fabricação de 1.3-1.5 é que um entalhe de espectros de reflexão com visibilidade adequada deve ser obtido primeiramente antes que a cola foi transferida para a face final do colimador.
4. Polir o fragmento de silicone irregulares em forma circular usando uma máquina de polimento de fibra.
5. Examine a cabeça do sensor fabricados. Usar um microscópio para examinar a cabeça do sensor para certificar-se de uma forma circular desejável é alcançada (Figura 3d).

3. sinal demodulação para baixo-Finesse Si-FOSP

Nota: O sistema utilizado para desmodularem, bem como o baixo-fineza Si-FOSP é mostrado na figura 4a. As etapas detalhadas a seguir ajudam a configurar o sistema e executar o processamento de dados.

1. Conecte uma fonte de banda larga de banda C para porta 1 de um circulador óptico.
2. Splice porta 2 o circulador óptico com a fibra de lead-in de um sensor de baixo-fineza.
3. Conecte a porta 3 do circulador óptico de um espectrômetro de alta velocidade que se comunica com um computador para armazenamento de dados.
4. Verifique o espectro do sensor para certificar-se de que o sistema funcione apropriadamente. Ver o espectro típico, mostrado na figura 4b.

4. sinal demodulação para alta-Finesse Si-FOSP

Nota: O sistema utilizado para desmodularem, bem como a alta-fineza Si-FOSP é mostrado na Figura 5a. As etapas detalhadas a seguir ajudam a configurar o sistema e fazer o pós-processamento de dados.

1. Varra um laser sintonizável de DFB usando um controlador de corrente.
   Nota: A tensão de pico a pico arrebatadora, que varia para diferentes lasers e controladores, deve ser grande o suficiente para cobrir o entalhe do espectro.
2. Conecte a saída do laser sintonizável de porta 1 de um circulador óptico.
3. Splice porta 2 o circulador óptico para um sensor de alta-fineza.
4. Conecte a porta 3 do circulador óptico de um fotodetector.
5. Use um dispositivo de aquisição de dados para ler a saída do fotodetector, que é armazenado por um computador.
6. Verifique o espectro do sensor para certificar-se de que o sistema funcione apropriadamente. Ver um quadro típico de espectro mostrado na Figura 5b. Encontre a posição de vale, usando um encaixe de curva polinomial.

Si-FOSP como um termômetro debaixo d'água para criação de perfil thermoclines do oceano
Recente pesquisa oceanográfica demonstrou que o desfoque de imagem subaquática resulta não só de turbidez em águas contaminadas, mas também de microestruturas de temperatura no oceano limpo^17,18. O último efeito tem sido o foco de muitos oceanógrafos, com o objetivo de encontrar uma forma eficaz de corrigir as imagens borradas,¹⁹, para melhor compreender e melhorar a comunicação óptica na água, bem como desenvolver meios de quantificar a turbulência na oceano de^20,21. Demonstrou-se a Si-FOSP usado como um sensor de temperatura para superar sua contraparte atual para medir as variações de temperatura rápida de água turbulência²². Nesta aplicação, é utilizado o sensor de baixa-fineza, mostrado na Figura 1a , juntamente com o sistema de demodulação do sinal na figura 4a . Tendo em conta o desempenho superior do sensor de temperatura de Si-FOSP, foi desenvolvido em um instrumento subaquático patenteado²³ (Figura 6a), que visa caracterizar os thermoclines de águas abertas. Esta subseção apresenta os resultados de um campo de testes (Figura 6b) no reservatório de Creek do Flint, no Mississippi, Estados Unidos da América.

C a Figura 6 mostra uma termoclina medida do reservatório Flint Creek em 13 de setembro^th, 2016. A curva azul foi obtida pelo sensor de temperatura de Si-FOSP, enquanto as curvas vermelhas e pretas foram obtidas por dois referência comercial DDTC (instrumentos de Oceanografia para medir a condutividade, temperatura e profundidade da água do mar). Obviamente, o sensor de temperatura de Si-FOSP concorda com os sensores de referência, mas com mais detalhes das estruturas de temperatura (ver a inserção da Figura 6C) que podem dar um monte de informações extras. Os mais informativos dados coletados pelo sensor de temperatura de Si-FOSP deverá afetar muitos ramos da investigação oceanográfica.

Si-FOSP como um grande... dinâmica -sensor de fluxo da gama
Medição dos fluxos de gás ou líquido é fundamental para diversos setores acadêmicos e industriais, que podem fornecer informações importantes para oceanografia, pesquisa de clima, controles de processo, transporte e monitoramento do ambiente. Resultados representativos de Si-FOSP de trabalho como um sensor de fluxo será demonstrado. Um baixo-fineza Si-FOSP é usado para esta aplicação. No entanto, desde que este sensor de fluxo precisa na cabeça de sensoriamento para ativamente ser aquecido por outro laser, o sistema utilizado é ligeiramente diferente daquele indicado na figura 4a. Especificamente, um extra aquecimento do laser é usada para ativar a sensoriamento de cabeça, e uma descrição detalhada do sistema de medição de vazão tem sido relatados^12,13,14.

Figura 7a mostra o sensor de fluxo de Si-FOSP situado em um tanque de água, com uma comparação lado a lado com um sensor de fluxo comercial. Obviamente, a leitura do sensor de fibra geralmente concorda com isso do sensor de fluxo comercial, como mostrado na Figura 7b; no entanto, o sensor de fluxo de Si-FOSP apresenta uma resposta muito clara quando os fluxos de água calma, como ilustrado pela exibição do close-up na Figura 7b.

Si-FOSP EMI... imune Bolómetro de física de plasma de alta temperatura
Os cientistas investigando a física de plasma de alta temperatura em tokamaks estão tentando converter o poder de exaustão de reatores de fusão magnética do confinamento em emissão de fóton para atenuar o fluxo de calor impingido para o plasma enfrentando componentes²⁴. A figura 8a mostra o interior de um tokamak²⁵. A emissão de fótons é normalmente medida por um Bolómetro. Enquanto bolometers vídeo resistivos e infravermelhos alcançaram uma densidade de energia equivalente de ruído (NEPD) de 0,2 W/m² e 0,23 W/m², respectivamente, em um laboratório ambiente^26,27, eles são vulneráveis para a dura ambiente associado com o plasma de alta temperatura. O Si-FOSP relatado neste trabalho destaca-se como uma alternativa promissora para as bolometers existentes. Para obter uma resolução mais alta possível, será usada a versão de alta-fineza, mostrada na Figura 1b . Também, ligeiramente diferente do sistema de demodulação de canal único, mostrado na Figura 5a, um sistema de dois canais será usado para compensar o desvio do laser usando outro manequim referência^4,15.

Figura 8b dá os resultados das medições de um Bolómetro Si-FOSP em um ambiente de laboratório, em comparação com outro Bolómetro resistivo. Bolómetro nosso Si-FOSP tem um NEPD de 0.27 W/m² , que é perto das contrapartes eletrônicas^26,27. Notando que o Bolómetro Si-FOSP tem resistência inerente ao IME tipicamente encontrada em física de plasma de alta temperatura, espera-se que segurar grandes promessas para aplicações práticas em tokamaks.

Figura 1: alta-fineza e esquemas mostrando o baixo-fineza (a) (b) Si-FOSP. (c) simulada espectros de reflexão das duas versões de Si-FOSPs com uma cavidade de silício grosso 75 µm. A mudança de minuto do espectro (de sólido para curvas tracejadas) é muito melhor discriminada pelo sensor de alta-fineza. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: fabricação de baixo-fineza Si-FOSPs. (etapas de fabricação esquemático a)-(e) e imagem (f) de uma cabeça de sensor fabricada em comparação com um cabelo humano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: fabricação de alto-fineza Si-FOSPs. (etapas de fabricação esquemático de a)-(c) e (d) imagem de um sensor fabricado. Baixo-relevo em (d) mostra a vista superior da cabeça do sensor. GI-MMF, índice graduado fibra multi-modo; HR, alta refletividade. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: sistema (a) esquemático do sistema de demodulação e (b) um quadro típico de espectro de reflexão para um baixo-fineza Si-FOSP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: sistema (a) esquemático do sistema de demodulação e (b) um quadro típico de espectro digitalizado para um alto-fineza Si-FOSP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: representante resulta como um termômetro subaquático. (a) implantação de imagem e (b) campo do instrumento sensor com protótipo. (c) medido termoclina Flint Creek reservatório, Mississippi, EUA, em 13 de setembro^th, 2016. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: representante resulta como um sensor de fluxo. (a) imagem do fluxo de teste de arranjo e (b) a comparação entre o campo de fluxo medido pela Si-FOSP e o de um sensor de fluxo comercial. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8: representante resulta como um Bolómetro para pesquisa de plasma de alta temperatura. (a) imagem do espaço interior plasmas de alta temperatura em um tokamak²⁵ e (b) medida de resultados em um ambiente de laboratório. Esta figura é adoptada e modificada do Wikimedia Commons. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A escolha do tamanho (comprimento e diâmetro) do silício FPI é feita mediante a compensação entre os requisitos da resolução e velocidade. Em geral, um tamanho menor fornece uma velocidade maior, mas também reduz a resolução². Um comprimento curto é vantajoso para a obtenção de uma maior velocidade, mas não é superior para a obtenção de uma alta resolução devido a FWHM expandida de entalhes da reflexão. Uso de revestimentos HR para reduzir a FWHM pode ajudar a melhorar a resolução, mas que vai limitar o alcance dinâmico devido a demodulação de sinal usando a varredura a laser. Um diâmetro menor aumenta a velocidade, mas o diâmetro deve ser maior que o diâmetro do campo modal da fibra lead-in para que um bom espectro pode ser alcançado. É, no entanto, também encontrado que um diâmetro de silício maior do que a fibra ajuda a melhorar a sensibilidade para bolometry devido a perda de calor de condução reduzida para a fibra⁴. Portanto, a escolha do tamanho do sensor é altamente dependente as aplicações específicas.

Embora apenas Demonstramos a estruturas muito básicas, protocolos de fabricação e sistemas de demodulação de sinal para o Si-FOSP, existem várias técnicas que podem se encaixar em outras aplicações ou melhorar ainda mais o desempenho. Por exemplo, em vez de usar cola UV-curable para fixar o sensor, uma emenda a técnica de fusão pode ser aplicada para elevar a temperatura de operação acima de 1.000 ° C²⁸. Com uma temperatura de operação elevada, tipos inovadores de dispositivos fotônicos podem ser feitos, como microaquecedores, emissores infravermelhos e geradores de bolha. Outro exemplo é o sensoriamento de pressão autotemperatura compensada gás usando a diferença de comprimento de onda, quando o laser de aquecimento é desligado sobre e¹¹. Além disso, através do desenvolvimento de pico romance reconhecimento técnicas^29,30, medição de temperatura ao longo da faixa dinâmica estendida pode ser realizada.

Foi emitida uma patente dos EUA (n. º 9995628 B1) para proteger as tecnologias relacionadas.

Este trabalho foi apoiado pelo laboratório de pesquisa Naval dos Estados Unidos (n º s. N0017315P0376, N0017315P3755); Estados Unidos escritório de pesquisa Naval (n º s. N000141410139, N000141410456); Departamento de energia dos EUA (n º s. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).