光纖感測器簡介與分類

大約在 0.16dB/km。實際上，針對直線傳輸的光纖而言，最主要的衰耗 來自於雷射散射衰耗，但於工程應用上，需將光纖傳輸工作路徑的轉

地應用在許多地方，如工業、軍事、生物、電子、航太、機械、化工、

造船、土木等領域。

所謂的光纖感測即將物理量的變化如溫度、應變、加速度、位移、

壓力等之變化，解調成在光纖內傳輸之光信號的改變。除了溫度之外，

大部分的物理量改變皆可以由應變的變化經過適當來獲得。通常我們可 以以感測元件及解調方式將光纖感測器分類。

一、 以感測元件分類 (1) 非本質式(Extrinsic)：

在此系統中，光纖只負責傳遞信號的工作，即感測元件間傳輸的介 質，因此，在感測過程中，需要有其他的感測元件配合。

(2) 本質式(Intrinsic)：

光纖本身扮演感測器的角色，當感測物體受到外在環境的影響改 變，將調變光纖中光波的傳導模式，光傳導模式改變主要是外在因素的 擾動而改變光纖長度、折射率或偏極面所致。光纖作為主要的感測元 件，故要求較高，通常以單模光纖為主。

二、 光纖解調類型的方式分類 (1) 光強度( Intensity)：

運用光的吸收、放射損失、散射、和發光特性。通常系統架構最為 簡單，經過精密的設計後，光強度感測器可以得到絕對的量測數值。但 由於需要外接光源，光強度可能會擾動，其靈敏度會受到限制，且不容 易達到多工。

(2) 相位(Phase)：

運用光傳輸路徑長度上的改變來當做量測因數。通常需要一個調變 訊號跟一個與外在環境改變隔離參考訊號做比較，當同調的兩道光重合

時，光波長的相位分佈會影響其干涉現象，由調變光波間的相對性相位 差，將可做干涉式的量測。相位量測感測器可以極高的靈敏度以及動態 量測範圍，並可以加以作多工作技術。但是當監測儀器在沒有啟動的狀 態下，相位變化的過程便無法被紀錄下來，因此不容易做到直接之量測。

(3) 波長(Wavelength)：

運用光波長的飄移來當做測量因數。處理過後的光纖感測器暴露在 感測環境下，可以由光譜波長的改變而獲得的物理量變化。波長感測器 不僅有相位感測器的優點，加上波長可以直接被讀取，所以可以做到直 接量測。

2.3.2 基本光纖光學

由前一節我們可以得知光纖藉著核心與外層不同的光學性質(折射 率)來達到光傳導的目的，而此一現象使用幾何線性光學中的司乃耳定律 (Snell’s law)便可以加以描述。

圖2-13 司乃耳定律的示意圖。圖中第一道光顯示光由折射率高(n1) 的介質射入折射率低(n₂)的介質時有一部分光會被反射，另一部份的光 則會被折射。其公式為：

2 2 1

1sinφ n sinφ

n = (2-2) 其中

n1、n2 =射入端與射出端之折射率 φ1、^φ2 =入射角與折射角

由式中可以看到當入射角逐漸增大，折射角也會隨之變大。當折射 角達到 90 度與交介面平行時，θ會成為臨界角θc(Critical angle; θc)，

該臨界角公式為：

⎪⎭ reflection)現象。

光在光纖內行進的路徑如圖2-14 所示，其核心的折射率 n1較外層 acceptance angle；ψa)，在三度空間中由接受角(Acceptance angle ；2ψa) 所形成的接受錐面(Acceptance cone)內入射的光才可以在光纖傳播，否 則將折射溢散到纖核外界去。

通常我們會以數值孔徑(Numerical aperture；NA)來評估光纖接受角 的大小，數值孔徑即二分之一接受角和纖核及核殼折射率的關係可以由

NA=數值孔徑

φ_a=二分之一接受角

當光在光纖內發生全反射時會產生相位變化，因此在上下的交界面 間反射一週期的行進間會產生橫向的相位變化，由電磁波理論的角度來 解析可以知道為有此一相位變化量為2π的整數倍形成駐波(Standing wave)時才能傳播，因此除了光線射入光纖的角度要小於二分之一接受 角外，光纖亦不容許任意傳播角的光在光纖中行進。由前述可知只有符 合上述特定條件的那些光(彼此間並不連續)才能在光纖中傳播，這些得 以傳播的光在徑向上的電場分怖再任意的軸向位置上會是相同的，這就 是光傳播模態(Mode)的概念