Sensing & amp; Mal.

Sensing & amp; Mal.

Den brede bruken av automatiserte styrings- og betjeningssystemer, vedtaket av nye teknologiske prosesser og konvertering til fleksible produksjonssystemer har stimulert utviklingen av sensorer og maleinstrumenter. Sensorer er ogsa viktige elementer i brannalarm og katastrofebeskyttelsessystemer. I tillegg til hoy metrologisk (male) ytelse, ma sensorene tilby palitelighet, holdbarhet, stabilitet, lettvekt, kompakt storrelse, lavt stromforbruk og kompatibilitet med mikroelektroniske informasjonssystemer. Fiber og integrerte optiske enheter er de som er best i stand til a oppfylle alle disse kravene. 1 Vagledere har spesielt muligheten til a male sma endringer i brytningsindeksen og dermed de fysiske mengdene som forarsaker disse endringene.

En interessant design for sensing formal er spalte bolgeleder, som bestar av to strips av et hoy-brytningsindeks materiale separert av en subwavelength-skala region med lav-brytningsindeks materiale (sporet). Den elektriske feltdiskontinuitet som oppstar ved grensesnittet mellom hoyindeks-kontrastmaterialer, resulterer i hoy optisk intensitetskonsentrasjon i lavindeksspaltregionen. 2 Denne egenskapen til en spaltebolgeleder for sterkt a begrense lys kombinert med egenskapene til en mikroringsresonator (en optisk bolgeleder i en lukket sloyfe med en mikronskala-radius) har vist stort potensial for optiske sensingapplikasjoner.

Som en forbedring pa dette designet har ogsa bolgeledere med dobbeltspaltarrangement blitt foreslatt de siste arene. Mikro-ringresonatorer basert pa slike dobbeltspaltbolgeledere har vist seg a tolerere storre fabrikasjonsfeil enn sine enslige spor-motstykker. 3 Videre kan folsomheten okes ved a fylle bolgeleder-spalten med et stoff hvis brytningsindeks reagerer pa parameteren som males. Ved temperaturavkjenning har vi funnet flytende krystall (LC) a v re et nyttig og interessant fyllmateriale, fordi bade avhengig av molekyl re bestanddeler og bolgelengder varierer brytningsindeksen betydelig som folge av driftstemperaturendringer. 4.

For a forfolge denne arbeidslinjen, undersokte vi teoretisk dobbeltbolgebolgerens mikroringresonator illustrert i Figur 1 for temperaturfoling. 5 Arrangementet har en resonatorring med en boyeradius i storrelsesorden tiotals mikron. Slangene til ringvaglederen er fylt med LC, som ogsa brukes som det omgivende kledematerialet. Optiske signaler blir inngatt og utgang via rett optiske bolgeledere kombinert med ringresonatorvaglederen gjennom evanesielle felt.

Mikro-ringresonatoren er preget av et sett av resonansbolgelengder. Et inngangssignal hvis bolgelengde sammenfaller med en av resonansbolgelengdene, passer inn i ringbolgelederen og passerer gjennom den til utgangen. Eventuell variasjon i resonatorens optiske lengde L & middot; n eff, hvor L er den geometriske resonatorlengden og n eff er den effektive indeksen for bolgeledermodus, forer til et skifte i dets resonansbolgelengde. Dette endrer i sin tur intensiteten av utgangssignalet pa b rebolgelengden sammenfallende med resonansbolgelengden til den uopploste resonatoren.

Sensorprinsippet for operasjon er at temperaturinducerte endringer i brytningsindeksen for LC-fyllingen vil endre egenskapene til sporvaglederen og folgelig resonansbetingelsene til mikroresonatoren, noe som gir en optisk utgang sv rt folsom for temperatur. Figur 2 sammenligner temperaturfolsomheten til en mikroringsresonator basert pa en bolgeleder (uten LC-fylling) mot mikroringingsresonatorer basert pa spor og dobbeltspalt bolgeledere (med LC-fylling). Disse kurvene viser at folsomheten til en sensor basert pa en LC-fylt dobbeltspalt bolgeleder er omtrent fem ganger hoyere enn den for en basert pa en konvensjonell strip bolgeleder uten LC-fylling. I tillegg kunne den foreslatte sensoren benytte to ortogonalt polariserte bolger for samtidig a oppna to separate temperaturavhengige utganger. Gjennomsnittlig de to utgangene vil oke malingsnoyaktigheten. Endelig bestemmes operasjonshastigheten for en slik sensor av den tid som er nodvendig for a etablere et steady state-regime i mikroringsresonatoren, som er i storrelsesorden tiotals nanosekunder.

Sammendrag viser vart arbeid at en temperatursensor basert pa en sporbolger-mikro-resonator med LC-fylling kan oppna rask respons, hoy noyaktighet og sterkt forbedret folsomhet. Nar vi beveger oss fremover, planlegger vi a bygge en maleanordning som bestar av flere slike folelseselementer, som er i stand til samtidig a overvake temperaturen pa forskjellige punkter innenfor en fluidstrom eller substansvolum. Vi foreslar ogsa a utvikle en implementering av dette folelsesprinsippet for ikke-kontaktmaling av elektriske felt.

Forfatterne onsker a takke det europeiske samarbeidet om vitenskap og teknologi (COST) Action MP0702-prosjektet mot funksjonelle underbolgelengdefotoniske strukturer for stimulerende utveksling av ideer.

Institutt for kommando ingeniorer (ICE)

Igor Goncharenko er professor ved ICE, samt en deltids professor ved det hviterussiske statsuniversitetet. Han er medlem av radgivende komiteen til den hoyeste sertifiserende kommisjonen for Republikken Hviterussland.

Nasjonalt institutt for telekommunikasjon (NIT)

Marian Marciniak er professor ved NIT og ved Kielce University of Technology. Han er daglig leder av tidsskriftet Optical and Quantum Electronics, og leder av COST Action MP0702-prosjektet mot funksjonelle sub-bolgelengde Photonic Structures (2008 & ndash; 2012). Han har organisert de internasjonale konferansene om gjennomsiktige optiske nettverk (ICTON) siden 1999.