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國立聯合大學電資學院

金腦獎參賽作品 (本著作發表在國際期刊 Optics Communications & PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS)

超靈敏微型光纖干涉儀

之溫度感測器

指導教授:李澄鈴教授

研究生: 洪誠鴻

黃柏蓉

2

目錄

第一章緒論 ....................................................................................................................................................... 3

1.1 研究背景、動機與目的 ......................................................................................................................... 3

1.2 文獻探討 ................................................................................................................................................. 3

第二章 AG-FFPI 光纖干涉儀溫度感測器 ..................................................................................................... 5

2.1 實驗流程 ................................................................................................................................................. 5

2.2 實驗的結果與討論 ................................................................................................................................. 6

第三章光子晶體光纖干涉儀之溫度感測器 ................................................................................................... 8

3.1 實驗流程 ................................................................................................................................................. 8

3.2 實驗的結果與討論 ................................................................................................................................. 9

第四章結論 ..................................................................................................................................................... 11

參考文獻 ......................................................................................................................................................... 12

3

第一章緒論

1.1 研究背景、動機與目的

目前已有許多專家學者正從事於以光纖光柵為骨幹之感測器研究，用來感測的光纖光柵

元件是利用紫外光透過相位光罩曝照於光纖上所形成，其特性是將在纖芯的入射光之模態耦

合至反方向傳輸之纖芯模態，使其對周圍之應力、溫度或彎曲形變等參數量測上有靈敏之反

應，但由於光纖材料為二氧化矽，熱膨脹係數較低，因此在溫度感測變化上較為不靈敏，不

但不利於溫度感測而且製作過程因需要 UV 雷射以及曝照系統，因此設備價格昂貴，製作也

過於複雜繁瑣也是其一大缺點。

有鑒於此，本研究擬在製作以及開發一些簡易方便並兼具應用價值的光纖感測元件，實

驗一所採用材料皆為基本且容易取得的物品，製作本研究的光纖干涉儀，我們利用在單模光

纖端面上包覆錫球的技術，在光纖端面製作出一個 Fabry-Perot 的空氣腔結構，並可以在光纖

內產生干涉的效果，環境溫度變化以變化干涉條紋來達成溫度感測的目的。

實驗二則是利用熔接一段光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber: PCF)所製成的干涉儀，由

於 PCF 可藉由特殊的孔洞排列，形成獨特的波導結構，使得光子晶體光纖與常規光纖相比較

下，具有不同的特性，因此我們透過這些優點製出高靈敏的光纖干涉儀。

本研究的原理與製作過程不僅簡易且元件成本低廉，所需材料便於取得，也不具任何的

危險性，大大的改良了傳統光纖感測器的不足，且大幅提升了感應之靈敏度，再加上受環境

氣候影響小，因而具備大量生產的優勢。

1.2 文獻探討

全光纖式干涉儀深具應用價值，因此各式微型化、智慧型、聰明的設計搭配複合式結構

之組合的光纖干涉儀相繼被提出，主要可分為兩類：一種則是實驗一所利用的Fabry-Perot干

涉為基礎的光纖干涉儀，而另一種則實驗二是以纖芯及纖殼的模態相互干涉為基礎的

Mach-Zehnder式干涉儀，皆為目前最常見全光纖式光纖干涉儀，並且廣泛應用在生醫感測、

化學感測以及各種的物理量參數之精密檢測。

首先是利用各種不同製作方式製成的空氣孔洞光纖式Fabry-Perot干涉儀(AG-FFPI)，目前

已經被應用在許多地方，如最簡單的方法就是將兩個光纖端面對齊形成兩反射面，使在第一

和第二平面的反射光產生干涉，而產生low-finese的干涉條紋【1】，有些AG-FFPIs則是結合

全光纖式智慧型結構，有效地應用感測周圍物理參數之變化【2-4】。

DaeWoong Kim等人利用氫氟酸光纖端面蝕刻技術的方式製成的AG-FFPIs元件【2】，

Xiaopei Chen等人提出一種結構緊密且嵌入式AG-FFPIs元件利用蝕刻與熔接的步驟形成微米

級的空氣孔洞而製成Fabry-Perot共振腔，其對溫度的解析率(Resolution)可達0.12℃且應力量測

為0.767×10-6μ【3】，此外還有利用最新的飛秒雷射加工技術，製作而成的全光纖式Fabry-Perot

干涉儀，在高溫的測量上則達到 1100℃【4】。

接著要介紹的是實驗二，近年來，PCF越來越被大家所熟知的，學者們也相對提出以PCF

4

為主所做的干涉儀。在2004年時，有學者提出用PCF和長週期光纖光柵結合而成的Mach–

Zehnder interferometer 【5】， H. Y. Choi, K. S. Park etal.也提出PCF長週期光纖光柵結合PCF

崩塌區，應用於精密應力感測【6】，Xinyong Dong, H. Y. Tam etal.全PCF Sagnac干涉儀，也

提出利用極化保持(polarization-maintaining)PCF做溫度不靈敏的應力感測器【7】以及應用PCF

做為高靈敏度氣體感測干涉儀【8】。這些以PCF為主的全光纖式干涉儀皆有高靈敏度的感測

特性，由此可知，利用PCF製作全光纖干涉儀應用相當廣泛。

5

第二章 AG-FFPI 光纖干涉儀溫度感測器

2.1 實驗流程

在本研究中我們利用光纖覆錫技術，製造出各種不同長度空氣孔洞且探討包覆不同大小

之錫微米球的熱膨脹效應對元件產生的影響。當干涉儀製作完成後，使用寬頻光源(Wild Band

Light Source )做為訊號源，其光源波長範圍為1250nm~1650nm，再利用跳接線(Pig Tail)與

AG-FFPI相連接，之後使用光循環器(Circulator)將光源、光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer ,

OSA)與跳接線連接後，使光經過我們的光纖干涉儀後，其反射光則會回到光循環器，最後反

射光進入至光譜分析儀之中，接收其光訊號，量測干涉頻譜。其架構方式如圖(2.1)。

圖(2.1) 量測AG-FFPI元件實驗架構圖

6

2.2 實驗的結果與討論

實驗中，由於我們所做的 AG-FFPI 元件，可以改變錫球冷卻時間和戳入光纖的時間，約

略控制其空氣間隙的大小，製作出不同的共振腔長度，因此，首先我們利用光譜分析儀量測

在室溫 25℃時，不同共振腔長度下 AG-FFPI 元件的干涉頻譜，其結果如圖(2.2)所示。

圖(2.2)空氣間隙長度 d 等於 (a)7μm, (b) 12μm, (c) 21μm (d) 37μm

的反射頻譜，插圖為環境溫度 25℃~85℃時頻譜位移圖。

由於在光纖與空氣介面及空氣與錫界面形成 Fresnel 反射後的反射率較低，其反射率分別

為 0.034 和 0.1~0.2，因此這裡提出的 AG-FFPI 元件是以 low-finese 的空氣間隙 Fabry-Perot 共

振腔為其干涉機制，錫的表面和光纖端面之間的 air gap 形成 Fabry-Perot 共振腔。而預期因錫

的高熱膨脹係數（TEC）約 2.2×10-5℃-1 可以實現對溫度高靈敏度的檢測。圖(2.2)的(a)~(d)為

不同空氣間隙，錫球重量為 3μg 在 25℃時的干涉頻譜，其整體損耗大約在 7~12dB，而影響

其損耗的因素有許多，例如：錫球的品質、製造的方法、空氣間隙的長短...等。其頻譜也顯

示當空氣間隙，也就是共振腔的長度越短的時候，損耗(loss)越小，其干涉條紋的密度也會越

疏，而干涉條紋的對比度也就是消光比(Extinction atio，ER)也來得越深，也就是能量對比較

為顯著，因此得知較短的 AG-FFPI可以得到較為顯著及能量對比變化大的週期性的干涉條紋。

1250 1350 1450 1550 1650-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength (nm)

Ref

lect

ion (

dB

)

1420 1465 1510 1550-24

-22

-20

-18

~118nmT increased

FSR=146nm

(a) d~7 m

1250 1350 1450 1550 1650-25

-20

-15

-10

-5

0

Refl

ecti

on

(d

B)

Wavelength (nm)

1520 1560 1600 1640

-22

-20

-18

-16

FSR=101nm

(b) d~12 m

T increased ~61nm

1250 1350 1450 1550 1650-25

-20

-15

-10

-5

0

Ref

lect

ion (

dB

)

Wavelength (nm)

1540 1550 1560 1570 1580 1590

-24

-22

-20

-18

(c) d~21 m

T increased ~22nm

FSR=55nm1250 1350 1450 1550 1650

-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength (nm)

Ref

lect

ion (

dB

)

1535 1545 1555 1565 1575 1585

-22

-16

(d) d~37 m

T increased~19nm

FSR=31nm

7

之後我們將不同共振腔長度的 AG-FFPI 元件放置於熱電溫度控制器上，並使其密閉於平

台上，改變其環境溫度，觀察當環境溫度從 25℃增加到 85℃時，不同長度的空氣間隙受到環

境溫度變化的頻譜特性。圖(2.2)(b)-(d)上的小插圖為當干涉條紋的波鋒波長在 1550nm 時，所

量測的頻譜位移(Δλ)，實驗結果發現，在溫度增加時，光干涉頻譜會漸漸的往長波長移動，

因錫金屬球膨脹使得空氣腔常變長之故。而圖(2.2)(a)我們則選擇監測 1450nm 的干涉條紋，

因為溫度從 25℃增加到 85℃時，1550nm 的干涉尖峰其位移會超過量測的範圍，由實驗結果

我們可以發現，當溫度增加時，元件頻譜都會規律的往長波長移動，而且當 AG-FFPI 共振腔

的長度越短時，頻譜位移量越大越明顯，有鑑於此，我們將不同長度的空氣間隙頻譜，針對

從溫度 25℃量測到 85℃的波長位移情形做線性適配，如圖(2.3)所示。

圖(2.3)不同 air gap 長度之元件之溫度靈敏度。

從圖(2.3)可以了解，當AG-FFPI的共振腔長度為7μm時，溫度的變化量對應干涉頻譜的波

長位移的變化量最為顯著，且往長波長移動，約為每上升1℃時，波長的位移變化量為2.1nm；

而當AG-FFPI的共振腔長度為37μm時，溫度變化量所對應干涉頻譜的波長位移量則最不明

顯，約為每上升1℃，波長的位移變化量僅為0.32nm，所以當AG-FFPI的共振腔長度愈短的時

候，波長的位移變化量則愈大，對溫度也越靈敏。而此處的波長為移往長波長變化，顯示出

在加熱時，由於熱膨脹效應的關係使其空氣間隙變大，如圖(2.4)所示。

d

SMF-28 Δdd

Sn

air-gap

圖(2.6)熱膨脹效應對空氣間隙的影響示意圖。

25 35 45 55 65 75 850

20

40

60

80

100

120

Temperature (oC)

Wav

elen

gth

Shif

t (n

m)

d~21 m

d~37 m

d~7 m

d~12 m

d (m) Slope (nm/oC)

7 2.14 12 1.07 21 0.39 37 0.32

8

第三章光子晶體光纖干涉儀之溫度感測器

3.1 實驗流程

1.取一條單模光纖置於熔接機，並將其與一小段PCF熔接，再取一條單模光纖，與PCF另一端

做熔接，利用熔接所產生的空氣孔洞崩塌區作為分光的結構，本實驗透過R-soft模擬光速進入

崩塌區情形，如圖(3.1)所示，由此可知，光束將行成展光的效果。

圖(3.1)光束進入熔接所產生的崩塌區，呈現展光效果。

2.元件一端接上光譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer，OSA），而另一端則接至寬頻光源

（Broad Band Source），觀察頻譜的干涉特性。本實驗將從25 oC升溫到50 oC，每5 oC量測一

次頻譜，進行溫度變化並觀察頻譜的位移，其本實驗架構如圖（3.2）所示。

圖(3.2) Mach–Zehnder 干涉儀實驗量測架構圖。

3.對PCF元件進行材料包覆並做溫度控制，並觀察其頻譜的變化特性，進行探討，元件示意圖

如下（3.3），而專題中所使用的色散材料為Cargille®匹配油，其nD數值的定義為溫度25℃時，

鈉光谱中的D線(Sodium D Line, 589.3nm)量測到的折射率。

9

圖（3.3）. PCF 元件滴上光學匹配油示意圖。

3.2 實驗的結果與討論

實驗中，我們將 PCFI 放置在不同環境折射率下，並透過環境溫度來調變環就折射率，感

測溫度範圍從 25C 到 50C，每 5℃記錄其頻譜變化，如圖(3.4)所示。從圖(3.4)中的解析放大

圖可得知，透過色散物質包覆 PCFI 時，將會改變其外在環境折射率，而隨著外在環境折射

率的上升，其頻譜飄移量隨之上升，當外在環境折射率越接近元件本體，其波長飄移量有巨

幅增加的趨勢。

圖(3.4)色散物質包覆 PCFI 之穿透頻譜圖，插圖為其頻譜解析放大圖。

實驗結果中，外在包覆的色散控制條件不同，也對元件在溫度的靈敏度造成不同之影響，

當包覆物質折射率接近 PCF 折射率，此條件控制下的靈敏度越高，這是因為此時參與干涉

的 cladding mode 其模場大量露出在包覆介質中，包覆介質隨溫度變化折射率也變化劇烈，

使得 cladding mode 的等效折射率大幅變化，造成頻譜位移量大增而大大提升元件之靈敏度。

為了瞭解頻譜飄移量，研究中，將溫度對應波長位移作靈敏度比較，如圖(3.5)所示。

1450 1500 1550 1600-25

-15

-5

0

1450 1500 1550 1600-25

-15

-5

0

1450 1500 1550 1600

-25

-15

-5

0

Wavelength (nm)

Tra

nsm

issi

on (

dB)

1450 1500 1550 1600-25

-15

-5

0

(d) nD

=1.44

(b) nD

=1.3(a) in air

(c) nD

=1.42

25oC50

oC

50oC 25

oC 25

oC

50oC

50oC 25

oC

10

圖(3.5)色散物質包覆 PCFI 之靈敏度比較圖。

由圖（3.5）得知:當環境折射率上升時，其對應之靈敏度隨之上升，從空氣中 n=1 至 nD=1.44，

其靈敏度大幅提升 92 倍。而靈敏度上升是因為利用 PCF 空氣孔洞的熱膨脹效應，當溫度升

高時，PCF 的 cladding 等效折射率下降，此干涉之感測特性為共振波長往短波長移動（與長

週期光纖光柵之溫度感測特性相反），加上此干涉儀對環境折射率變化特性是 dn/dT =

3.7410-4

C-1，溫度每上升 1 oC，匹配油的折射率即下降 3.7410-4，外在折射率降低也往短

波長移動，因此當環境溫度上升時，才會產生干涉頻譜位移的雙重改變。

而此項研究在於利用材料的色散能力提升光子晶體光纖對於溫度的靈敏度。相對於傳統

感測儀，透過材料色散，可使光子晶體光纖感測儀的溫度靈敏度達到九十倍以上之多，而結

果同樣顯示出，利用此材料色散控制下之光子晶體光纖感測儀之頻譜響應對於外在溫度的變

化，有良好的線性位移關係。

25 30 35 40 45 50

-30

-20

-10

0

Temperature (oC)

Wav

elen

gth

shif

t (n

m)

nD

sensitivity

(nm/oC)

air -0.011.3 -0.051.4 -0.201.42 -0.311.44 -0.92

nD

=1.4

nD

=1.42

air

nD

=1.3

nD

=1.44

11

第四章結論

在第二章實驗中，利用光纖包覆錫微米球的技術，提出一種新穎的光纖式 Fabry-Perot

干涉儀，由於錫金屬的熱膨脹係數~2.2×10-5C-1，光纖的熱膨脹係數約~5.5×10-7C-1，兩者相

差約為 40 倍左右，因此，本實驗的感測元件對溫度的靈敏度得到大幅的提升，其最佳溫度靈

敏度在空氣間隙為 5m 時，其干涉波長位移可達4.3nm/C，對應其共振腔長度變化為

+14.83nm/℃，這在感測與光纖元件的應用上，可為一項創新的設計與研究。

由於第二章中的光纖式 Fabry-Perot 干涉儀必須透過金屬球的熱膨脹來感測溫度，對於有

些醫療照護上可能有所限制，因此在第三章實驗中，我們提出以孔洞崩塌區效應為主的 PCF

Mach–Zehnder Interferometer，此干涉儀可透過不同材料包覆，進而提升對於溫度的靈敏性，

亦可用來感測環境的折射率。

透過兩個實驗中所製成的干涉儀，除了可用於感測環境溫度，亦可用來感測人體溫度，

皆有良好的靈敏性，因為是以全光纖式製成的干涉儀，所以可長距離監控溫度變化，對於醫

療方面相當方便，例如醫療照護上可改善相關人員量測的麻煩，可立即觀測溫度的變化情況。

而光子晶體光纖干涉儀因為對環境折射率感測相當靈敏，因此亦可用於化學感測上，對於綠

能環保亦有相當貢獻。

第二章中的 Fabry-Perot 干涉儀，在結構上可說是非常新穎的感測器，價格又相對低廉，

而第三章中的光子晶體光纖干涉儀用於溫度與折射率的感測上，具有雙重感測的機制。本研

究所提出的兩種干涉儀，因為分別對環境溫度與環境折射率有著良好的靈敏性，所以可應用

的範圍相當廣泛，例如：生物醫學、化學、醫療診斷等精密的溫度感測上，在加上全光纖適

的感測器體積微小、不受電磁干擾以及可長距離傳輸之優勢，在未來的奈米時代、光電腦等

領域，有相當良好的發展前景。

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參考文獻

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