光纖技術的發展始於通訊上的需要，隨著低損耗光纖的研製成功，藉由光纖來傳遞資訊 才達實用化的階段。光纖因其直徑小，質輕，柔軟可彎曲及不受電磁干擾等優異特性，已被 廣泛應用於各種通訊領域中。然而，直至1980 年代，光纖技術才正式跨入感測器的市場。由 於光對於微細變化的靈敏度比傳統的電子感測器高出許多，利用光纖及光纖元件來進行分布 式感測，一直是眾人注目的研究焦點。因為光纖感測器的技術近年才趨於成熟，所以市場以 特殊應用領域為主。尤其在軍事、航太工業及高溫等惡劣環境的應用頗為廣泛，而最近在醫 療領域的發展也頗受矚目。光纖感測器具有不受電磁干擾、質量輕、耐久性、不易被腐蝕、
損耗率低、體積小、寬頻、信號易於傳輸等優點，因此利用光纖來感測應變、溫度、壓力、
電流、氣體等變化的應用也不斷地開發出來。西元1978年，Butter和Hocker發表光纖應變感測 器後，光纖感測器技術應用於智慧光纖型結構變成為世界發展趨勢。
1.2 動機與目的
本專題研究提出液面高度測量，可以實際的應用於測量醫療用的點滴，由於醫療用的點 滴無法監控液面的高度，若點滴打完而沒注意到的情況下，會造成空氣打入體內，使血液回 流，會有致命的危險性，因此本研究提出智慧型全光纖式干涉儀，不需對光，非電子式，可 以用來非常靈敏的量測液體深度之簡易光纖元件，此研究可以非常靈敏的感測到水深變化並 及時的監控，可以透過干涉儀的頻譜知道點滴的水位多少，避免醫療上的疏失，再加上價格 低廉且不需昂貴的製程設備，是一項具應用價值的研究，也是本實驗之主要動機。
本研究所提出為“高分子填注中空光纖空氣間隙 Fabry–Pérot 光纖干涉儀”，研究內容為一 反射式元件，不需再熔接一段單模光纖將光傳回頻譜分析儀。B. H. Lee 等人在 2008 年，發表 在 Optics Letters 利用中空光纖(Hollow Core Fiber, HCF)做出的 Mach–Zehnder 式光纖干涉儀[1]。
1991 年，K. A. Murphy 等人發表在 Optics Letters 將單模光纖放入大直徑的纖芯的 HCF 裡，
做出相位干涉儀[2]。同樣，在 Optics Letters 上，J. S. Sirkis 等人在 1993 年則是做出利用 HCF 做出 Fabry–Pérot 標準具用在應力的測量[3]，一般傳統的光纖感測器，通常都需要高度複雜的
工藝製程或是昂貴設備；如雷射寫製技術、熔拉的處理、電弧放電技術或是化學蝕刻[4]，其 製作過程不僅繁複費時，不易大量生產，且經過這些製程的處理都可能使得光纖過於脆弱。
有鑒於此，本研究擬在製作技術能簡易方便並須兼具應用價值，實驗是使用中空的纖芯 且直徑大於光束直徑的中空光纖，與單模光纖直接做熔接的處理，然後填入高分子聚合物於 中空光纖中，其熔接面與另一端聚合物的端面形成兩個反射面，當光波從單模光纖(SMF-28) 傳播進入至中空光纖時，光則會在這兩個反射面之間產生無數的反射光與穿透光並且形成多 光束的干涉，因反射光不強，因此這是一個low Finesse Fabry–Pérot的結構，藉由利用高分子 聚合物不同於光纖的材料特性，會隨外在環境改變而靈敏地變化的光纖干涉儀，本研究的原 理與製作過程不僅簡易且成本低廉，除了不需要使用以雷射或是化學蝕刻的方式等儀器與設 備，其設備除價格昂貴之外，且具有一定程度的危險性，本研究中也不需技術成熟的特定的 技術人士才能完成，而具備大量生產的優勢。
第二章 高分子填注中空光纖空氣間隙 Fabry–Pérot 光纖干涉儀
2.1 實驗原理
當光從光源傳播進入至單模光纖中，其模場會主要分佈於纖芯之中，邊緣模場會稍微漏 到纖殼裡，而當光傳播進入至中空光纖與單模光纖熔接的交界面(r1)時，會在這界面產生單模 光纖與空氣介質的 Fresnel 反射[5]，但是光波中心主要的模場仍會在中空光纖的纖芯裡，也就 是在空氣中做自由空間傳播(free space propagation)與展開，直到光抵達另一端空氣與高分子 聚合物的界面(r2)後產生反射，光會在這兩個反射面之間，不斷地產生穿透光以及反射光，產 生多光束干涉。
由於本實驗所填注的高分子聚合物擁有足夠的長度時，且在其固化之後，高分子聚合物 會產生很大的散射情形，所以當穿透光通過高分子聚合物的介質後，其反射回來的光強度會 難以產生良好的干涉，因此，主要在此元件產生的干涉現象，是以空氣間隙為主要共振腔的 Fabry–Pérot 干涉的形式，而光通過高分子聚合物所產生的干涉共振與空氣共振腔的干涉共振 相比則非常的小，因而可以忽略，如圖 2-1 所示。
圖 2-1 光在空氣間隙共振腔光纖元件中傳播特性示意圖。
圖 2-1 中 d 為 Fabry–Pérot 共振腔的長度，也就是空氣間隙(Air gap)，L 為利用毛細現象 吸入之高分子聚合物(Polymer)的長度，D 則是實驗所用之中空光纖的纖芯直徑。
2.2 研究流程
本實驗我們製作一個全光纖式的 Fabry–Pérot 干涉儀並作液體的液面高度感測，將液態的 單體分子利用毛細現象原理灌注到中空光纖的空氣孔洞時，調整其灌注的時間，故意將孔洞 通道預留一截空氣做成以空氣間隙(Air gap)為共振腔的 Fabry–Pérot 光纖干涉儀(AG-FFPI)，如 圖 2-1，之前實驗室已發展了此結構作環境溫度的靈敏感測[6]，本實驗進一步將此元件發展
成液面高度光纖感測器，並探究其物理與光學特性。
首先取一段纖芯直徑約 50μm 的中空光纖，因為中空光纖的保護層為高分子的材料，因 為無法以一般使用剝線箝剝離保護層(Jacket)的方式剝除乾淨，但是其燃點約在 150°C，所以 將保護層利用打火機火焰燃燒的方式將保護層去除，再使用酒精拭紙將保護層的灰燼擦拭乾 淨，之後將中空光纖與單模光纖的待熔接處利用光纖切割刀(Fujikura CT-07)將兩者端面切平 後，利用光纖熔接機(FSM-60S)控制放電的參數做熔接的處理，當熔接完成之後，再使用光纖 切割刀將中空光纖裁切適當長度，元件示意圖如圖 2-2 所示。
圖 2-2 初步元件示意圖。
將初步製作好的光纖元件利用毛細現象(Capillarity)將液態的單體分子(Monomer)填入到 熔接完成的中空光纖的空氣孔洞中，並且控制填注的時間，可以做為調整液態的單體分子吸 入程度，如此一來可以控制 Fabry–Pérot 的共振腔為高分子聚合物或是以空氣為共振腔，如果 在灌住的過程中利用加溫的方式，灌注其填充體，可以縮短其灌注時間。
由於我們使用的高分子聚合物為 NOA65 光固型聚合物，所以我們將還是液態的單體分 子成功灌注到中空光纖的空氣孔洞之後，利用波長範圍在 350nm~380nm 的紫外光，將還是液 態的單體分子曝照足夠的時間後，使之固化(Curing)為固態的高分子聚合物(Polymer) ，如圖 2-3，當固化完成之後則不用擔心填充體會有流失的情形產生。
圖 2-3 Polymer 固化後元件示意圖。
當 AG-FFPI 的元件製作完成後，使用寬頻光源(Wild Band Light Source)做為訊號源，其 光源波長範圍為 1500nm~1600nm 的入射光，之後利用跳接線(Pig Tail)與 AG-FFPI 相連接，再 使用光耦合器(Coupler)與跳接線連接後，使光可以經過我們的光纖干涉儀後，其反射光則會 經過光耦合器，這樣才能量測反射頻譜，最後反射光進入至光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer, OSA)之中，接收其光訊號，量測干涉頻譜，見圖 2-4。
實驗所使用的光譜分析儀使用 GPIB 卡轉換成 USB 介面這樣才能利用電腦接收資料，並 使用 LABVIEW 軟體做成虛擬控制儀表將光譜分析儀的訊號取出，再用 MATLAB 軟體將取 出的訊號做繪圖處理。但是由於所使用的寬頻光源，其初始的光源訊號並非平整，且有損耗 存在，因此量測到的元件頻譜，須與初始的光源頻譜做歸一化的處理，才有辦法看出真正元 件頻譜特性。我們將光纖 Fabry–Pérot 干涉儀(Fiber Fabry–Pérot Interferometer, FFPI)固定在量 尺上放入量筒內，利用顯微鏡的輔助，確保此 FFPI 光纖元件的端面幾乎接近量筒底面，再用 光纖夾具固定光纖，使其不會晃動在平台上，之後開始注入去離子水(DI water)到量筒內，每 0.5cm 量測一次水深頻譜到 15cm 並紀錄，觀察當水深改變時頻譜的變化，而量測架構示意圖 如圖 2-4。
圖 2-4 AG-FFPI 元件量測架構示意圖。
2.3 實驗結果與分析討論
由於我們所製作的光纖式 Fabry–Pérot 干涉儀，可以利用切割出不同長度的中空光纖，以 及調整灌注的高分子聚合物的時間，控制灌注 Monomer 的量，製作出不同共振腔長度的 Air gap，首先我們將所製作出的元件進行液面測量，觀察其對液面壓力的變化量如圖 2-5 所示。
圖 2-5 高分子聚合物形成空氣間隙的 Fabry–Pérot 干涉儀，d 為(a) 23μm、(b) 35μm、(c) 66μm (d) 89μm，L 皆為 58μm，插圖為利用光學顯微鏡元件拍攝實體圖。
圖 2-5 是本研究所製作不同 d 分別為 23μm、35μm、66μm、89μm 之空氣間隙，相同 L=58μm 之高分子聚合物的 Fabry–Pérot 光纖干涉儀元件，當進行注入去離子水改變水位量測時，其干 涉頻譜的波長漸漸往短波長移動，這是由於液面漸漸升高，水壓上升，元件底端之高分子聚 合物受到外部液面壓力時擠壓並進而擠壓空氣間隙長度(d)，使 d 變小，因此產生干涉條紋之 位移變化，如圖 2-6 所示。
1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20
1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20
1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20
1500 1520 1540 1560 1580 1600 -20
圖 2-6 AG-FFPI 元件受外在壓力的位移變化圖。
d h
波長移動(因空氣共振腔變短)，由實驗結果可知，對 d=23μm 的水位靈敏度約為-3.20nm/cm，d=35μm 的水位靈敏度約為-1.00nm/cm，d=66μm 的水位靈敏度約為-0.84nm/cm，d=89μm 的水 位靈敏度約為-0.31nm/cm，因此可以得知此干涉儀架構，確實可以靈敏地感測水位的變化，
Liquid level (cm)
W a ve le ngt h s hi ft (nm )
35 m
第三章 結論
由於許多的醫療照護常需要即時的監控液面高度，例如:點滴高度監控，因此本專題成功 開發出價格便宜、高靈敏之光纖感測器，利用中空光纖灌注高分子材料技術，提出一新穎、
製作簡單、以及不需對光的全光纖式空氣間隙光纖式 Fabry–Pérot 干涉儀(Air gap Fiber Fabry–Pérot Interferometer, AG-FFPI )元件。
此以空氣間隙為共振腔的 Fabry–Pérot 干涉儀，對外在環境壓力變化的靈敏度上，比起傳
此以空氣間隙為共振腔的 Fabry–Pérot 干涉儀，對外在環境壓力變化的靈敏度上，比起傳