國立聯合大學 2016 年第五屆金腦獎專題競賽
計畫書
專題競賽題目：多功能感測之超微型光纖干涉儀
報名編號： 11
指導教授： 李澄鈴
就讀系所：光電工程學系
參賽隊員：曾仲豪（隊長）
張瑋剛
李偉傑
中
華
民
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目錄
摘要---1 研究背景、動機與目的---2 研究流程---3 研究內容---5 結論與建議---8 參考文獻---8一、 摘要
本研究提出一種微型精密探針光纖栓塞多功能感測元件，以實驗室首創之錐形光纖栓 塞(Tapered Fiber Plug)為主體，所發展出的精密光纖式干涉儀感測元件。利用光纖熔接機經 特殊放電將一小段中空光纖(Hollow core fiber, HCF)內的錐形光纖栓塞密封熔接，並且利用 切割刀將錐形光纖栓塞末端切平，因中空光纖與錐形光纖栓塞的銜接端面受到放電加熱完 成熔接，使得元件的主要振盪部分(錐形光纖栓塞)密封於中空光纖而獲得了良好的保護， 可以在不同的環境下(如液體、高溫下)進行振盪感測。當元件置於振盪環境時，錐形光纖 栓塞隨的環境振動導致接收光能量隨振動而變化，利用擷取示波器時域之訊號，可以得知 入射此元件之光能量變化的情形，透過快速傅立葉轉換，間接測得振盪頻率以及振盪強度。 再者，透過元件末端對環境的靈敏度及元件被中空光纖包覆的全光纖式結構特性，本研究 所開發的元件，亦可以對環境折射率與極高溫度變化(25℃~800℃以上)作感測，實現了單 一光纖元件的多功能感測特性。 關鍵詞：錐形光纖栓塞、中空光纖、振盪感測器、多功能感測器。
二、 研究背景、動機與目的
全光纖式元件具有微小、高靈敏度、抗腐蝕等優點，現今已大量應用在許多創新前瞻 之研究以及科技領域，如振盪感測、溫度感測、化學特性參數量測以及光學參數量測等[1-9]。 監測振動在現今科技上是非常重要的技術，因為它可以監控機器在製造中的操作過程、建 築物的結構強度以及預測自然災害。 有許多光纖式振動感測器已經被證實可以有效感測周圍的振動[1-6]。其中已有研究指 出利用熔拉成錐形的單模光纖製成的聲波振盪感測器，可有良好的感測效果[1]。另一種振 盪感測器是結合傾斜布拉格光纖光柵(TFBG)和垂直腔面發射雷射器(VCSEL)，光經過一橫 向錯位的 TFBG 可讓通過低階模態的光更有效的耦合到纖芯，傾斜布拉格光纖光柵隨著振 動其曲率的變化會產生不同的耦合量而測得振動[2]。而另一種振動感測器的研究是利用錐 形光纖為懸梁臂的結構，其中，光從一單模光纖耦合至一個錐形光纖。當振動造成光纖尖 端位移時會改變由光纖尖端所接收到的光功率[3]。以上所提出的振動感測器都是相當有用 的；然而，錐形光纖與單模光纖的對準嚴重影響到了感測器的靈敏度，因此增加了元件封 裝的困難度。近日，Lu 等人提出了一種用雙熔拉光纖作為懸樑臂的感測機制。此元件是相 當新穎但必須使用化學蝕刻之製程[5]，另外本研究室也在今年發表了一篇以錐形光纖橋 (Tapered Fiber Bridge)為主體之振盪感測器，利用光纖熔接機將中空光纖(Hollow core fiber, HCF)內的兩個對齊的錐形光纖栓塞(Tapered fiber plug)作密封熔接，因中空光纖與錐形光纖 栓塞銜接端面受到放電加熱形成熔接狀態，並且利用熱傳導將兩端的錐形光纖栓塞的尖端 互相熔接連成錐形光纖橋並懸於中空光纖中。所提出的感測元件有相當好的頻率響應，但 需要非常精細之加工過程，在製程上需要較高的技術要求所以會造成製作成功率較低的問 題[6]。 因此在本研究中，我們又再提出另一種新型且極微小的高靈敏度多功能感測之超微型 光纖干涉儀，其基於一個錐形光纖栓塞熔接在一小部份的中空光纖內。本感測器的製作成 功率較高，其基本感測原理是藉由振動使錐形光纖尖端與單模光纖之纖芯中心偏離，由於 偏離程度的不同，感測元件所反射的能量也會不同而可以測得振動。本感測器可以將振動 信號轉成利於檢測的光功率信號進行測量。所提出的技術保證了振動感測元件（錐形光纖 栓塞）可被中空光纖保護且提高穩定性。 加上目前文獻上已有許多全光纖式感測器同時具備兩種或多種參數感測的機制被開 發[7-9]，使得光纖元件不僅限於一種感測功能，因此可讓光纖感測器的發展更加多元化與 具備實用價值。本研究所提出的元件因結構特殊，振盪感測元件探針被包覆於中空光纖內因此不受外界折射率影響，但元件末端則切平後裸露於外部，因此當環境折射率改變時， 會進而影響到元件末端的反射能量，使得光頻譜產生能量上的變化。另外，由於元件本身 為一全光纖式感測器，光纖材料本身具有耐高溫(約可達 1600℃)的特性，我們可利用實驗 室中之高溫爐產生高溫環境，用以檢視元件可以在高溫環境中進行振盪感測的性能，以及 對環境溫度的變化有著靈敏的反應。
三、 研究流程
實驗中，所提出的感測元件由錐形光纖栓塞插入一段中空光纖中，連接端面經由特殊 放電後熔接，形成一振盪感測器，如圖 1。以熔接端面至錐形光纖尖端作為懸樑臂，是整 個振盪感測器最主要的部分，光由單模光纖傳至錐形光纖尖端時，將會產生一反射能量， 當感測器受到外界振盪源振動，錐形光纖會因此偏離單模光纖中心，使得反射回到單模光 纖纖芯之反射光能量產生損耗，由於振盪讓錐形光纖尖端在中空光纖內以鐘擺型式來回晃 動，最終使得反射能量產生週期性的變化。圖 1 感測器應用於振盪感測之示意圖 圖 2 振盪感測之實驗架構圖 在振盪感測方面實驗架構如圖 2 所示，首先將製作好的振盪感測器放置於一般商用的 揚聲器上，並且放置於光學桌上，盡可能地減少環境的干擾因素，再利用訊號產生器 (Function Generator, GFG2104)連接揚聲器，使揚聲器發出不同頻率、能量大小的振動。實 驗中我們利用波長 1550nm，輸出功率 5.88mW 之雷射光作為訊號源，之後利用光耦合器 (Coupler)將元件連接光源與光功率計(Power Meter, HP8153A)，使光傳至元件後，其反射光 則會傳回光耦合器再進入光功率計中，透過光功率計接收其光訊號並且換為電信號輸出， 最後由示波器接收顯示其能量變化。實驗中，我們可經由示波器對能量做快速傅立葉轉換，
同時得到反射能量的時域圖與頻域圖。 元件因結構的關係，因此具有多個反射端面，分別在單模光纖入射中空光纖時(r1)、 入射光由空氣入射錐形光纖尖端時(r2)，以及元件末端反射(r3)，如圖 3 所示。在感測折射 率的實驗中，我們將元件端頭放入不同的環境折射率中，藉此可以改變元件第三端反射回 來的光能量，再透過光頻譜分析儀觀察光能量的變化，圖 4 為折射率感測之實驗架構。
圖 3 感測器應用於折射率感測之示意圖 圖 4 折射率感測之實驗架構圖 在環境溫度變化感測實驗中，實驗中使用之高溫爐實際可達到溫度約為 800℃（實驗 室高溫爐最高溫度為 900℃），由於光纖主要的製造材料為二氧化矽(Silicon dioxide)，熔點 大約在 1600℃，這確保了元件可在高溫環境的變化下進行感測。升溫過程中，光纖材料會 產生熱膨脹現象，元件反射端面間的距離也會因此變化，造成光頻譜的波長位移，示意圖 如圖 5。 圖 5 感測器應用於溫度感測之示意圖 (a)升溫前 (b)升溫後
實驗中錐形光纖感測器隨著溫度升高，中空光纖與錐形光纖將會同時膨脹延伸如圖 4-1， 但由於錐形光纖與中空光纖之熱膨脹係數接近，所以當溫度升高時，r1 與 r2 兩反射光間的 距離(即共振腔 C1 長度)變化不大，只有錐形光纖栓塞之尖端與末端由於受熱膨脹距離變遠， 造成第二共振腔長度增加(C2’=C2+△C2)。藉此現象我們可以得知，由單模光纖與錐形光 纖尖端所形成的干涉條紋(C1 空氣共振腔)對溫度的升高並不會有明顯的位移，但由第一端 面(r1)與第三端面(r3)所形成的干涉條紋將會隨溫度升高產生變化(△C2)。
四、 研究內容
實驗中我們將元件放置於揚聲器上且維持在室溫 25℃下進行實驗，並利用訊號產生器 使揚聲器分別產生 300Hz、600Hz、1kHz、3kHz 的振盪頻率來讓感測器振動。接下來的實 驗我們將以圖 6 所示之元件，來進行不同頻率之振盪感測。我們可以看到感測器的錐形光 纖栓塞被熔拉成細長狀，這有益於提高感測器對振盪的靈敏度，脆弱的部分則透過中空光 纖被保護著；略微圓弧狀的尖端，使光入射時能有更多的反射光回到單模光纖纖核，同時 也讓感測器在二次熔接封口時不易內縮。 圖 6 多功能感測之超微型光纖干涉儀圖 7 振盪感測器分別於振盪頻率(a)300Hz (b)600Hz (c)1kHz 以及(d)3kHz 下所得之頻域 圖，插圖為個別對應之時域圖 圖 7(a)-(d)分別為該錐形光纖振動感測器於 300Hz、600kHz、1kHz 及 3kHz 的頻域圖 與時域圖。透過示波器，我們得到了感測器反射光能量變化之時域圖，以及透過快速傅立 葉轉換得到之頻域圖，將示波器輸出之時域圖與頻域圖點數資料取出，利用 Matlab 將點數 輸入，將產生一頻域以及時域之轉換圖。其數值可以利用 Matlab 取出弦波兩波峰和波谷之 間的值即為時間週期，再經倒數後即可得到實驗中的振盪源之頻率值。 在環境折射率的感測實驗中，我們把元件依順序更換至裝有不同折射率液體之燒杯內。 每次的更換都必須將元件取出，並且以酒精浸泡、擦拭元件後，放入高溫爐以 120℃烘乾 直到元件上沒有殘留液體，以避免匹配油間交互汙染，影響實驗結果。實驗中我們將從環 境折射率 n=1 開始往上提高折射率直到 n=1.6，並觀察記錄元件的光頻譜在不同折射率下 的能量變化。從圖 8 的光頻譜圖中，我們可以看到當環境折射率越接近單模光纖之纖殼折 射率(nD=1.456)時，反射光能量 r 由於第三端面的反射率下降，使得能量隨之減少，且干涉 圖形也逐漸消逝；當環境折射率繼續向上增加，能量又漸漸回升，且由於 nD>ncladding，所 以波形因為半波損失產生了 180∘相位差。 圖 8 光纖干涉儀之折射率感測結果
接著將感測器放至高溫爐內以便進行環境溫度變化的感測，並調整溫度從室溫(25℃) 開始以每 25℃為間隔升溫至 800℃，並紀錄每個溫度下的頻譜位移變化，實驗結果如圖 9。 接著我們對針對元件的回復性進行研究，我們以 100℃為間隔從 800℃降溫直到 100℃，最 後再降回室溫(25℃)，並且針對升降溫的干涉位移頻譜進行曲線適配，如圖 10。結果顯示 不論升溫或降溫，元件的頻譜位移量皆約為 0.0133nm/℃。由於升降溫實驗時間需要花費 大量的時間感測，長時間的外界光源變化變成了較難以控制的環境變數，然而元件升溫前 後的頻譜位移量只有些微的差異，尚在可接受的誤差範圍，證明了本研究所提出之錐形光 纖溫度感測元件，具有一定的回復性與對溫度變化的靈敏性。 圖 9 感測器在高溫爐內的頻譜變化，溫度分別為(a)25℃-200℃，(b)225℃-400℃， (c)425℃-600℃以及(d)625℃-800℃。 圖 10 感測器升降溫頻譜之曲線適配圖
五、 結論與建議
本研究提出一種微型、高靈敏性，不受環境因素影響之全光纖式錐形光纖感測器，元 件有著利用電弧放電封口所形成的緊密結構，且有著多樣性的感測功能。在元件製作方面， 我們透過中空光纖確保了感測元件最脆弱靈敏的部分被良好的保護，同時中空光纖還確保 了錐形光纖栓塞的置中和元件的封閉性。 在振盪感測方面，元件可進行大範圍的測量，反應時間短且對高頻振盪亦有著良好的 訊噪比(SNR > 30dB)，實驗結果顯示最高頻振盪可達 10kHz，所提出之鐘擺型的結構感測 十分方便且感測器的尺寸非常微小，可浸入水/液體或高溫等各種環境下做振動感測。透過 實驗中提出的特殊放電參數，元件目前的成功良率已經相當的高，且隨著研究的進展，許 多不同的感測功能也已經被探討且證實。 另外實驗中也提出了元件對溫度感測與折射率感測的可能性，藉由元件的結構密封性， 使得折射率感測得以可行，且實驗結果也證明，隨著環境折射率的改變，我們能透過光頻 譜分析儀(OSA)看見元件的反射能量明顯的變化趨勢。在溫度感測方面，元件可以感測從 25℃到 800℃的溫度變化且得到了很好的線性趨勢。上述幾種感測皆已經過多次實驗證實 反覆測試，證實了感測器確實具有極良好的回復性。 本研究所研發出的錐形光纖栓塞感測元件具有新穎以及即時響應，微型化、超靈敏、 多功能感測等感測特性，在實務應用方面，元件易於清潔且具良好回復性，由於元件的結 構封閉性，所提出的振盪感測與另外兩種感測功能本身並不互相衝突，未來更能進一步研 究如何應用在同時感測多個外界參數的變化，如水中聲納感測、超音波感測、高溫環境劇 變等，十分具有深入研究的價值。六、 參考文獻
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