Photonic contact thermometry using silicon ring resonators and tuneable laser-based spectroscopy

Abstract

Photonic sensors offer the possibility of purely optical measurement in contact thermometry. In this work, silicon-based ring resonators were used for this purpose. These can be manufactured with a high degree of reproducibility and uniformity due to the established semiconductor manufacturing process. For the precise characterisation of these photonic sensors, a measurement setup was developed which allows laser-based spectroscopy around 1550 nm and stable temperature control from 5 °C to 95 °C. This was characterised in detail and the resulting uncertainty influences of both the measuring set-up and the data processing were quantified. The determined temperature stability at 20 °C is better than 0.51 mK for the typical acquisition time of 10 s for a 100 nm spectrum. For a measurement of >24 h at 30 °C a standard deviation of 2.6 mK could be achieved. A hydrogen cyanide reference gas cell was used for traceable in-situ correction of the wavelength. The determined correction function has a typical uncertainty of 0.6 pm. The resonance peaks of the ring resonators showed a high optical quality of 157 000 in the average with a filter depth of up to 20 dB in the wavelength range from 1525 nm to 1565 nm. When comparing different methods for the determination of the central wavelength of the resonance peaks, an uncertainty of 0.3 pm could be identified. A temperature-dependent shift of the resonance peaks of approx. 72 pm/K was determined. This temperature sensitivity leads together with the analysed uncertainty contributions to a repeatability of better than 10 mK in the analysed temperature range from 10 °C to 90 °C. Photonische Sensoren bieten die Möglichkeiten einer rein optischen Messung in der Berührungsthermometrie. In dieser Arbeit wurden hierfür siliziumbasierte Ringresonatoren verwendet. Diese lassen sich aufgrund der etablierten Halbleiterfertigung mit hoher Reproduzierbarkeit und Uniformität herstellen. Zur genauen Charakterisierung dieser photonischen Sensoren wurde ein Messplatz entwickelt, welcher eine laser-basierte Spektroskopie um 1550 nm und Thermostatisierung von 5 °C bis 95 °C ermöglicht. Dieser wurde ausführlich charakterisiert und resultierende Unsicherheitseinflüsse sowohl des Messplatzes als auch der Datenverarbeitung quantifiziert. Die ermittelte Temperatur-stabilitäten bei 20 °C ist besser als 0,51 mK für die typische Aufnahmezeit von 10 s eines 100 nm Spektrums. Für eine Messung von >24 h konnte bei 30 °C ein Standardabweichung von 2,6 mK erreicht werden. Eine Cyanwasserstoff-Referenzgaszelle diente zur rückführbaren in-situ Korrektur der Wellenlänge. Die ermittelte Korrekturfunktion hat hierbei typischerweise eine Unsicherheit von 0,6 pm. Die Resonanzpeaks der Ringresonatoren zeigten im Durschitt eine hohe optische Güte von 157 000 mit einer Filtertiefe von bis zu 20 dB im Wellenlängenbereich von 1525 nm bis 1565 nm. Beim Vergleich verschiedener Methoden zur Bestimmung der zentralen Wellenlänge der Resonanzpeaks konnte eine Unsicherheit von 0,3 pm ermittelt werden. Es wurde eine temperaturabhängige Verschiebung der Resonanzpeaks von ca. 72 pm/K bestimmt. Diese Temperatursensitivität führt mit den analysierten Unsicherheitsbeiträgen zu einer Wiederholbarkeit von besser als 10 mK im untersuchten Temperaturbereich von 10 °C bis 90 °C.