整合短週期光纖光柵感測器及蝕刻型長週期光柵濾波器之高速光纖感測系統研究(III)

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

整合短週期光纖光柵感測器及蝕刻型長週期光柵濾波器之

高速光纖感測系統研究(III)

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型計畫編號： NSC 97-2221-E-151-016- 執行期間： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日執行單位：國立高雄應用科技大學機械工程系計畫主持人：江家慶計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：張浩禎碩士班研究生-兼任助理人員：蔡秉昆碩士班研究生-兼任助理人員：簡志勇報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文處理方式：本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中華民國 98 年 10 月 06 日

(2)

1

行政院國家科學委員會

九十七年度研究計畫成果報告

整合短週期光纖光柵感測器及蝕刻型長週期光柵濾波器之高速光

纖感測系統研究 (3/3)

Investigation of high speed optical fiber sensing system by using fiber

Bragg grating sensor and corrugated long period fiber grating filter

計畫編號：NSC -97-2221-E-151-016

執行期限：97年8月1日至98年7月31日

主持人：江家慶計畫參與人員: 簡志勇、張浩禎、蔡秉昆國立高雄應用科技大學精密與機械工程研究所

一、中文摘要

本計劃之目的在於建立一種配合短週期光纖光柵感測器及蝕刻型長週期光纖光柵濾波器之能量調變式感測解調系統，系統簡單便宜並具有高精度及高反應速度，適合用於即時動態之監測，將是智慧型材料結構的關鍵技術。本計劃第一年已完成之能量調變感測系統之應變解析度在 20 Hz ，應變振幅 2000με負載下為 2με，溫度解析亦可達到 0.006℃。第二年已完成掌握雷射逐點寫入光罩技術、利用高分子材料製作長週期波導光柵以及蝕刻型長週期光纖光柵濾波器-邊緣濾波效應，並應用在溫度、光能量調變及應變量測。第三年已完成，長週期光柵濾波器之高速光纖感測系統，經過蝕刻型長週期光纖光柵濾波器的濾波衰減，使光波穿透能量達到調變，藉由量測光能量，亦可推算 FBG 感測的物理量，解析度達到 5pm，解析度為光譜分析儀的 10 倍。 關鍵詞：光纖感測器、布拉格光纖光柵、長週期 光纖光柵、蝕刻型長週期光纖光柵濾波器

二、緣由與目的

光纖是通訊網路的是優良傳輸媒介，且光纖將在其中扮演極不可缺乏的重要地位，光纖具有高容量高速傳輸的特性，再加上保密性高、傳輸時低損耗、質量輕、體積小、不受電磁干擾與寬頻等優良特性，是傳統電纜所遠不可及，所以光纖通訊網路也成為主流，光纖除了作為良好傳輸媒介以外，而光纖光柵是在全光網路中扮演的非常重要而不可缺的被動元件之一，將光纖經過是當的加工處理可以成為通訊及感測元件，因此光纖通訊與光纖感測，已成為近幾年來學術與工程界熱門之研究主題之一。長週期光柵對於光學裝置與光電感測器有許多的應用，例如:光學濾波器、增益平坦化元件[1, 2]、調解檢測元件和同調光源偶合器[3]，長週期光纖光柵亦可應用於光纖感測，可以量測應變[4]、溫度[5, 6]、折射率 [7, 8]、等物理量。過去從文獻中及先前申請人對於光纖光柵感測器使用時所遇到的一些瓶頸待解決問題如，調解系統複雜且昂貴、解調系統速度與解析度之限制。目前本計劃「整合短週期光纖光柵感測器及蝕刻型長週期光柵濾波器之高速光纖感測系統研究」突破當前光纖感測瓶頸(動態解調困難)之關鍵技術。

三、進度檢討與結果討論

光纖感測器（Fiber Sensors），適合埋入材料結構中，能保持結構完整性，是實用而有潛力的感測器，惟目前之光纖光柵訊號解調系統技術尚未成熟穩定。本計畫將致力於整合短週期光纖光柵感測器並配合開發蝕刻型長週期光柵濾波器之高速光纖感測系統之研究，目前計劃已執行完畢，本計畫著重光纖光柵的設計及製程技術開發，我們已完成短週期雷射寫入式光纖光柵製作、全光纖式雷射寫入型光纖光柵感測訊號解調系統，並完成開發蝕刻型長週期光柵濾波器。第三年計劃成功開發出蝕刻型長週期光柵濾波器配合布拉格光纖光柵感測器之能量解調系統，來量測物理量變化，解析度達5pm，解析度為光譜分析儀的10倍，有效提高解調速度及系統解析度，降低其解調成本。

3.1 掌握蝕刻型長週期光纖光柵製程

蝕刻型長週期光纖光柵 (Corrugated

(3)

long-period fiber gratings，CLPFG)，CLPFG 是在光纖上製作出具週期性的凹凸結構變化，當光纖受到外力作用時光纖上的應力場會產生週期性的分佈，透過光彈效應可推知此種結構受負載時，折射率的分佈會沿著軸向產生週期性大小的變化以達到光柵的效果，圖 1 為 CLPFG 製程，圖 2 為 CLPFG 微結構圖。

3.2 光能量解調系統

蝕刻型長週期光纖光柵須要受到拉力，光纖內的折射率分佈才會隨著應變場變化而產生光纖光柵的效果，若光纖沒有受到拉應變產生應變場就不會有光纖光柵的效應，為了讓蝕刻型長週期光纖光柵擁有濾波的效果，我們將蝕刻型長週期光纖光柵先給與拉應變產生應變場，再將蝕刻型長週期光纖光柵，封裝於22號針管中，這樣可維持長週期光纖光柵濾波效果，另一方面可以保護蝕刻型長週期光纖光柵上的微結構不易被損壞。圖3為能量解調系統架構，圖4所示為未經過長週期蝕刻光纖光柵濾波的FBG應變與波長漂移光譜圖，平均應變量為 0.0001 時波長漂移 0.116nm，R-squared=0.99987實驗結果非常的線性化又如圖5、圖6所示為經過長週期蝕刻光纖光柵濾波的FBG應變與波長漂移光譜圖，由平均應變量為 0.0001 時波長漂移 0.118nm ， R-squared=0.99957實驗結果非常的線性化如圖7 所示，圖8為未經過濾波與經過濾波的FBG的波長漂移量敏感度只有2pm差異非常微小，我們可由圖4、圖6兩圖比較，可明顯得知，光能量有經過長週期蝕刻光纖光柵濾波器濾波所反射出來的光能量有呈現遞增的趨勢，而未經長週期蝕刻光纖光柵濾波器濾波所反射出來的光能量則呈現原本的寬頻光源強度趨勢，隨著感測到的物理量的改變，其反射波長發生的相應漂移，在經過蝕刻長週期型蝕刻光纖光柵濾波器的濾波衰減，使光波穿透能量達到調變，藉由量測光能量，亦可推算FBG感測的物理量。圖9為光功率擷取器所擷取電壓值與波長的飄移量的關係，我們可由圖9得知，每向右1nm的飄移量，光能量會增加0.167μW。經過上述我們可藉由長週期光纖光柵濾波之能量解調系統，由電壓值來推算所感測之物理量(應變、拉力)，亦可由電壓值來推算 FBG之波長位置，而光能量解調系統架構簡單便宜，所以我們可藉由光能量解調系統來取代而貴之光譜儀(OSA)，表1為各式光柵訊號解調系統速度及解析度比較。

3.3 光纖車輛載重動態監測系統

利用 FBG 感測器黏貼於鋼板彈簧，作為量測車輛載重的裝置，實驗架構如圖 10 所示，靜態實驗中，我們發現鋼板彈簧受到負載產生變形時，黏貼於鋼板彈簧軸向的 FBG 感測器的反射頻譜會有劈裂現象，經由黏貼於鋼板彈簧的側向應變規數據證明，其劈裂現象乃是因鋼板彈簧受到負載時，其軸向受到拉伸，由蒲松比的關係，使側向會受到壓縮，造成 FBG 感測器的反射頻譜，產生劈裂現象，圖 11 與圖 12 分別表示負載與軸向及側向應變關係與負載與撥常飄移關係。由實驗證明，FBG 感測器的波長飄移量與應變規量測的應變值，有良好的線性關係， R-squared 可達 0.999894，因此 FBG 感測器可作為量測應變的工具。動態實驗中，我們發現加載速度並不會影響負載與軸向應變、負載與側向應變，還有負載與波長飄移量三者之間的關係，因此 FBG 感測器可用來量測鋼板彈簧的動態負載。在同樣 80 公斤的負載下，FBG 感測器的敏感度約為 0.021kg/pm，應變規感測器的敏感度約為 0.026kg/με；而光纖光柵特性分析儀的解析度約為 0.043kg/2pm ，而訊號擷取器約為 0.777kg/30με，因此利用 FBG 感測器作為板片彈簧的應變量測，可比應變規感測器精準大約 18 倍。

3.4 FBG 溫度無感量測系統

圖 13 為溫度無感實驗架構圖，靜態實驗中，我們可以發現複材板片彈簧受到負載產生變形時，黏貼於複材板片彈簧的 FBG 感測器之反射波長與負載有良好的線性關係，其反射波長之光強度在未經長週期濾波器作用下無明顯變化，而在有經長週期濾波器作用下呈線性變化，另一作為溫度補償用之 FBG 感測器，因無應變與溫度的變化，因此其反射波長無明顯變化，而反射波長的光強度在未經長週期濾波器與經長週期濾波器有明顯的落差。在光能量校正實驗中，我們利用光功率放大器，將經長週期濾波器的兩 FBG 感測器的反射波長之光強度轉為電壓訊號，可以發現複材板片彈簧受到負載產生變形時，其負載與電壓訊壓有良好的線性關係，R-squared 可達到 0.98958。由圖 14 實驗數據中 FBG 對溫度的靈敏度只有 0.0002pm，在溫度補償的實驗數據證明下，可以發現本研究的溫度補償架構是可行的。

(4)

3 圖 1 蝕刻型長週期光纖光柵製作流程圖圖 2 CLPFG 結構顯微圖圖 3 能量解調系統架構 1553 1554 1555 1556 Wavelength(nm) -80 -70 -60 -50 In te n s it y (d B m ) Strain() 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 0.0009 0.001 0.0011 0.0012 0.0013 0.0014 0.0015 0.0016 0.0017 0.0018 0.0019 0.002 圖 4 FBG 應變與波長漂移光譜圖 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 Strain() 1553 1554 1555 1556 W a v e le n g th (n m ) Y = 1164.9* X + 1553.1 R-squared = 0.999874 圖 5 FBG 應變與波長漂移關係圖 1553 1554 1555 1556 wavelength(nm) -80 -76 -72 -68 -64 -60 In te n s it y (d B m ) Strain() 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 0.0009 0.001 0.0011 0.0012 0.0013 0.0014 0.0015 0.0016 0.0017 0.0018 0.0019 0.002 圖 6 FBG 經由 CLPFG（680μm）濾波頻譜圖 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 Strain() 1553 1554 1555 1556 W a v e le n g th (n m ) Y = 1183.6 * X + 1553.1 R-squared = 0.999573 圖 7 FBG 經由 CLPFG（680μm）濾波應變與波長關係圖

(5)

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 Strain() 1553 1554 1555 1556 w a v e le n g th (n m ) FBG FBG+LPFG 圖 8 未經過濾波與經過濾波的 FBG 波長漂移與應變關係圖 1553 1553.5 1554 1554.5 1555 1555.5 Wavelength(nm) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 L ig h t In te n s it y ( W ) Y = 0.167 * X - 259.799 R-squared = 0.995675 圖 9 光電壓值與波長的飄移量之關係圖 10 模擬版片彈簧受壓實驗架構圖圖 11 負載與軸向及側向應變關係圖圖 12 負載與波長飄移關係圖圖 13 溫度補償實驗架構圖 25 50 75 100 125 150 Temperature (o_C) 4 5 6 7 8 9 10 L e n g th o f D u a l W a v e le n g th (n m ) 1.5 N 1.0 N 0.5 N 0.0 N Y = 0.0003 * X + 6.7673 Y = 0.0003 * X + 6.0999 Y = 0.0002 * X + 5.4643 Y = 0.0002 * X + 4.7717 圖 14 FBG 波長調變式溫度不敏感表 1光柵訊號解調系統速度及解析度比較

(6)

5

四、計畫成果自評

本年度計劃已按進度執行，計劃結案如期完成，本計劃執行期間我們在積極嘗試開發，長週期光纖光柵之新製程，發現其可利用光阻，以堆疊之方式製作長週期光纖光柵之可行性，將可突破目前長週期製程之瓶頸，可利用其特性製作生醫感測器及長週期光纖光柵之相關應用，將列入九十八年計畫執行重點。

預期目標與完成成果比照表

預期目標 完成成果 1. 整合光纖光柵感測器及蝕刻型長週期微結構光纖濾波器建構高速光纖感測系統，並且降低系統雜訊。 1.成功開發出，光能量解調系統，來量測物理量變化，解析度達 5pm，解析度為光譜分析儀的 10 倍。 2.研發製作週期500nm ~1000nm 之蝕刻型短週期光纖光柵感測器。 2. 目前已成功開發出 600μm~700μm等 20 種週期的蝕刻型長週期光纖光柵感測器。 3.提高應變解析度 3. 本研究開發之板片彈簧的應變量測裝置解析度約為 0.043kg/2pm 4. 降低溫度敏感係數至 1pm/℃ 3. 本研究利用整合 CLPFG 與 FBG 開發出溫度無感系統，在實驗數據證明下，可以發現本研究的溫度補償架構是可行的。

五、本計劃所產生之論文

1. 江家慶劉家偉 “利用高分子材料製作長週

期波導光柵”Optics and Photonics Taiwan

Conference, Taichung, 2007. (NSC 95-2218-E-151-003) 2. 江家慶魏伯翰 “以內埋式光纖感測器監測碳纖維複合材料之成化” 第十五屆三軍官校基礎學術研討會， 2007 (NSC-96-2221-E-151-035) 3. 江家慶,林家豪 “光纖光柵感測器於重型車輛載重之量測”2008安全管理與工程技術國際研討會，(NSC-97-2221-E-151-016)

4. Chia-Chin Chiang, Ping-Kun Tsai Optical

Fiber pressure sensor based on photoelastic

thin film OPT’08(Internationalconferenceon

Optics and Photonics in Taiwan) ， 2008 (submitted)，(NSC-96-2221-E-151-035)

5. Chia-Chin Chiang, Chih-Yung Chien and

Liren Tsai Interrogation of Intensity

Modulation FBG Sensor based on Whispering Gallery Mode interference2008 中國機械工程學會第二十五屆全國學術研討會， (NSC-96-2221-E-151-035)

6. Chia-Chin Chiang, Hao-Jhen Chang,

Chih-Lang Lin, Chia-Wei Liu

“

Fabrication of

Corrugated Long-period Fiber Gratings by

Lithography”,2008 第六屆全國精密製造研

討會, (NSC-96-2221-E-151-035)

7.

Liren Tsai,Tusng-Chieh Cheng, Chih-Lang Lin

and Chia-Chin Chiang “Application of the

embedded optical fiber Bragg grating sensors in curing monitoring of Gr/epoxy laminated

composites”,ProceedingsofSPIE,vol.7293,

no. 729307, 2009(EI; CPCI-S)

六、參考文獻

[1] A. M. Vengsarkar, J. R. Pedrazzani, J. B.

Judkins, P. J. Lemaire, N. S. Bergano, and C.

R. Davidson, "Long-period

fiber-grating-based gain equalizers," Optics Letters, vol. 21, pp. 336-338, 1996.

[2] C.-E. Chou, N.-H. Sun, and W.-F. Liu,

"Gain flattening filter of an erbium-doped fiber amplifier based on etching long-period gratings technology," Optical Engineering, vol. 43, pp. 342-345, 2004.

[3] K.-W. Chung and S. Yin, "Design of a

phase-shifted long-period grating using the partial-etching technique," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 45, pp. 18-21, 2005.

[4] M. Vaziri and C.-L. Chen, "Etched fibers as

strain gauges," Journal of Lightwave

Technology, vol. 10, pp. 836-841, 1992.

[5] S. K. Abi Kaed Bey, T. Sun, and K. T. V.

Grattan, "Sensitivity enhancement of long

period gratings for temperature

measurement using the long period grating pair technique," Sensors and Actuators, A:

(7)

Physical, vol. 141, pp. 314-320, 2008.

[6] L. H. Chen, C. C. Chan, J. Sun, and N. Ni,

"High resolution long-period grating

temperature sensor," Journal of

Optoelectronics and advanced materials, vol. 10, pp. 190-193, 2008.

[7] C. Kin Seng, L. Yunqi, N. Mei Nar, and D.

Xiaoyi, "Analysis of etched long-period fibre grating and its response to external refractive index," Electronics Letters, vol. 36, pp. 966-967, 2000.

[8] Y. Jinhua, A. P. Zhang, S. Li-Yang, D.

Jin-Fei, and H. Sailing, "Simultaneous

Measurement of Refractive Index and

Temperature by Using Dual Long-Period Gratings With an Etching Process," Sensors Journal, IEEE, vol. 7, pp. 1360-1361, 2007.

[9] A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W.

Morey, "Multiplexed fiber Bragg grating

strain-sensor system with a fiber

Fabry-Perot wavelength filter," Optics

Letters, vol. 18, pp. 1370-1372, 1993.

[10] Y. J. Rao, K. Kalli, G. Brady, D. J. Webb, D.

A. Jackson, L. Zhang, and I. Bennion,

"Spatially-multiplexed fibre-optic Bragg

grating strain and temperature sensor system based on interferometric wavelength-shift detection," Electronics Letters, vol. 31, pp. 1009-1010, 1995.

(8)

出國報告（出國類別：投稿參加會議）

報告名稱 :參加國際會議報告書-2009

SPIE Conference on Smart Structures and

Materials & Nondestructive Evaluation and

Health Monitoring

(SPIE Smart Structures / NDE)

服務機關：國立高雄應用科技大學

姓名職稱：江家慶助理教授

派赴國家：美國聖地牙哥

報告日期：

(9)

一、目的：

智慧型材料結構的概念開始於 1980 年，智慧型結構的研究受到美國、日本、歐洲各國的高度重視，許多國外著名大學紛紛成立研究機構(如下表所示)。近年來，美國與英國更分別發行了「智慧型材料系統與結構」和「機敏材料與結構」等專門期刊，智慧型材料結構國際會議每年均有數場次進行對智慧型材料結構技術討論。而此 SPIE Smart Structures / NDE 會議亦是其中較具代表性的會議。我們投稿參加 SPIE Smart Structures / NDE 以了解全世界在最先進智慧型材料結構技術的發展趨勢，作為我們的參考並提升研究能力。

目前全球智慧型結構研究單位

國家 機構名稱 備註

日本 Smart Structure Research Center

自 2001 年自今隸屬於 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 美國

CAMSS - Center for Advanced Materials and Smart Structures, North Carolina A&T State University

研究人員約 22 人

美國 Smart Structures and Materials Lab, NC

State University 研就人員約 10 人

美國

Center for Intelligent Material Systems and Structures at Virginia Polytechnic Institute and State University

自 1980 年代後期創立研究人員約 15 人

蘇黎士 Centre of Structure Technologies, ETH

Zurich 研究人員約 25 人

波蘭 Smart Technology Centre 研究人員約 25 人

二、經費來源：

我們非常感謝國科會計畫的支持讓我們能夠順利參加此國際會議並發表我們的論文;其經費來源是來自國科會計畫編號 NSC-97-2221-E-151-016 及高應大出國補助經費。

(10)

2009 SPIE Smart Structures / NDE，今年與會的人數超過八百人。會議的重點集中在智慧型材料結構及非破壞建測技術的應用。本會議由9個子會議組成，其中內容包括Smart Structures and Vehicles、 Actuators and Damping、 Biomimetics and Robotic Systems、Multifunctional Materials、Embedded and Self Diagnosis Sensors、Modeling and Control、Sensor Networks、Real-Time NDE、Structural Health Monitoring等，本次會議有約450個演講場次與約5位的邀請演講，投稿的論文也有約1000篇，在會議中也有許多廠商參展，展出智慧型材料結構技術與儀器以供與會者共同討論。

圖1a為本人與會留影，我們發表一篇最近的研究成果以內埋式短週期布拉格光纖感測器監測碳纖維複合材料之固化成形過程” Application of the

embedded Optical Fiber Bragg Grating sensors in curing monitoring of Gr/Epoxy laminated composites”，其中日本Professor Takeda 與紐西蘭 Dr.

Els 皆對本研究有高度興趣，我們也與相關研究學者共同討論研究，討論建議也

我們相當具有幫助。圖1b 和圖1c 為本次會議盛況。

(11)

(1C) 圖一會議盛況圖二為本次會議廠商參展及海報論文發表情形，本人皆有深入去了解參展內容，發現本參展設備以動態樑測技術為主流，其他如設備小形化，高精度化等為各設備強調重點，本人也發現，光纖感測相關技術以光柵式感測器為主流，干涉式次之，能量式最少。圖二參展盛況會議相關的流程與內容如圖三所示。圖三會議內容

(12)

四、心得（或成效）： 目前全球正燃起智慧型材料結構的研究熱潮；由此可見智慧型材料之研究在世界各國均受到相當大的重視，並投入大量人力及資源來做各領域之研究。美國之研究注重於軍事方面之用途，日本則注重於民生上之應用，而西歐各國則以軍民結合為其發展之重點。智慧型材料之所以能引發各國各研究機關、學術單位高度重視之原因，就是因為它在軍事、科學、商業…等相關領域均具有高度的研究意義與價值。感謝國科會計畫補助出席國際會議經費，讓我能參與2009年SPIE Smart Structures / NDE)，我們研究團隊開始準備投稿(包括實驗計劃、實驗分析及結果討論)需花費近一年時間，會議期間我國與各國學者專家共聚一堂，將研究成果在此次會議中提出並與各國學者討論及交換意見，會後更詳談研究方向及目前發展的趨勢，讓我收穫良多不虛此行，，對於我未來的研究將有很大的幫助。此次由大會得知2010年SPIE Smart Structures / NDE會議將在美國聖地牙哥舉行，特將此訊息帶回國內。四、攜回資料名稱及內容 1. 會議議程一冊 2. 會議論文集光碟一份 3. 聯絡資料(包含相近研究領域之名片交換) 五、建議事項： 感謝國科會與高應大補助使我得以赴美國參與此一盛會，讓研究成果得以發表及交流。國科會與高應大鼓勵老師參加國際研討會，並於經費上予以支持，可讓我們了解到各國在相關研究領域的進展，亦可增加研究人員的國際觀及語文能力，值得大力推廣。另外此研討會具有相當的代表性及重要性，本次參加此研討會帶回的相關資訊，將可作為我們未來研究發展方向的參考，對本計畫有相當大的助益。。下一次 2010 SPIE smart structure/NDE 也在美國聖地牙哥舉行，希望台灣學者能共襄盛舉。