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

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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

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型計畫編號： NSC 95-2218-E-151-003- 執行期間： 95 年 10 月 01 日至 96 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：魏伯翰、林家豪處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 96 年 10 月 30 日

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行政院國家科學委員會

九十五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 (1/3)

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

-95-2218-E-151-003

執行期限：95 年 10 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

主持人：江家慶計畫參與人員: 劉家偉、魏伯翰、林家豪國立高雄應用科技大學機械研究所

一、中文摘要

近年來光纖光柵感應器(Fiber Grating Sensors) 的研究日趨蓬勃，尤其有關智慧型材料結構的應用上扮演極重要的角色，因為光纖光柵感測器其具有多點量測、即時反應、細徑質輕、高頻寬、不受電磁場干擾…等優點，目前大多數光纖光柵感應器之研究與應用，主要利用檢測特徵波長，用來監測溫度、應變等物理量，然目前檢測技術速度慢，僅適用靜態負載量測，因此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。本計劃第一年所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℃。 關鍵詞：光纖感測器，布拉格光柵，長週期光柵， 取樣式光柵，啁啾光柵，蝕刻型光纖濾波器 二、緣由與目的 以光纖光柵做為感測器，具有質輕、細徑、穩定性、敏感度高、不受電磁干擾和單纖多點量測等優點，目前已逐漸廣泛應用於航太工程、土木結構、醫學工程、化學等領域[1,2]。在嵌埋式 FBGs 感測器方面，初期研究對光纖鑲埋於複材內部的可行性評估與機械性質的探討[3,4]，而目前已能成功地利用 FBGs 感測器嵌埋於複材中進行內部應變量測[5,6,10]。近來，更使複材的演進由早期的追求高比強度，發展為具感應及反應功能的智慧型材料或結構，藉由埋於結構內之感測偵測周圍環境如溫度、應力、應變，並能作出適當反應，保護結構免於受損，或調整結構至最佳使用狀態[7-9]。光纖感測器在智慧型材料/結構之應用研究，目前國內外仍處於起步階段，國外目前正加緊腳步，大量投入經費與人力，甚至設立國家級智慧型材料/結構研究中心，國內如在目前仍不起步，將錯失迎頭趕上的機會。特別是本計劃 ‘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’正是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 光纖光柵在通訊領域可作為濾波器（Filter），亦可以作為高靈敏度的光纖感測器（Fiber Sensors），光纖光柵質輕徑細、穩定性高、敏感度高、不受電磁干擾和單纖多點量測等優點，且適合埋入材料結構中，亦能保持結構完整性，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，目前第一年計畫執行完畢，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研究，正著手開發蝕刻型長

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週期光柵濾波器並配合高速光纖感測系統來量測物理量變化，可與雷射寫入型光纖光柵感測系統比較，並研究提高系統精度及超高頻訊號解調系統架構的改良方法。 3.1、建掌握布拉格光纖光柵感測器製作技術 布拉格光纖光柵（FBG）製作架構如圖一所示，是將光敏光纖（Photosensitivity Fiber）置於相位光罩(Λ=1.0685μm)，然後藉由準分子雷射將高功率、連續性的紫外線脈衝打到光罩上，使得光敏光纖因受到紫外線穿透光罩所產生的繞射效應照射而讓其內部折射率發生微小變化，因此造成特定能量相互間彼此耦合，以達到對特定波長有選擇性之窄頻反射效應。如圖二，為 FBG 反射及穿透頻譜，其反射率可達 98%以上。 圖一 FBG 製作架構圖 圖二 FBG 反射及穿透頻譜 3.2、完成穩定性高、解析度高且動態反應佳之 光纖光柵感測器訊號解調系統之建立。 圖三為能量調變型光纖光柵感應器調變原理示意圖，利用首先由波長 980nm 之雷射二極體發出雷射光，經由波長多工器，打入摻鉺光纖放大器（EDFA）中，產生自發性放射螢光 (ASE： Amplified Spontaneous Emission)。再經布拉格光柵反射特定窄頻光，所反射窄頻光亦經耦合器再打到摻鉺光纖與反射鏡形成共振腔，進而激發雷射效應(lasing) 產生特定波長(1542nm)之窄頻強光源，再經過長週期光纖光柵，使最後通過之頻譜產生能量調變作用，藉由長週期光纖光柵對溫度或軸向，彎曲、扭轉施力等物理量之擾動而改變的穿透頻譜，或藉由短週期布拉格光纖光柵對溫度或軸向，彎曲、扭轉施力等物理量之擾動改變的窄頻反射頻譜，導致光能量傳輸到光收二極體時將隨著欲量測之物理量之擾動而有所增減，以達到利用量測光收二極體所測得光能量的方式來感測物理量變化。在此架構中，長週期光纖光柵（LPG）之製作方式，將光敏光纖（ Photosensitivity Fiber）置於振幅光罩(Λ=400μm)，以 ArF 193nm 準分子雷射（Excimer Laser）以紫外線雷射側寫的方式造成光纖內部之折射率有週期性變化，此長週期光纖光柵在溫度變化，軸向，橫向及扭轉施力下，其特徵衰減波長或穿透頻譜均會變化，透過適當的裝置以利用這些變化特性，可以將長週期光纖光柵用作溫度變化、軸向、橫向及扭轉施力後其他相關物理量的感測器。 b、完成穩定性高、解析度高之光纖光柵雷射感 測系統之建立。 3.2 完成穩定性高、解析度高而且動態反應佳之 光纖光柵感測器訊號解調系統之建立。 a、建立穩定性高反射率高之光纖光柵製作。 b、製作光纖反射鏡鍍膜之技術，架設光纖光柵 圖三能量調變型光纖光柵感應器達致能量 調變原理示意圖

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3.3 完成布拉格光纖光柵訊號動態解調系統在 感測應用之驗證。 應變感測方面，將光纖感測器(包含布拉格光纖光柵及長週期光纖光柵)表貼於 Gr/Epoxy 之擬均向(quasi-isotropic)複合材料試片(試片規格參考 ASTM D3039)並於試片反面相同位置貼上應變計做為參考應變，以萬能材料試驗機 MTS810 施加複材試片 20Hz 振福 2000με之反覆應變。並利用圖三的能量調變型光纖光柵動態即時量測系統，由光收二極體將通過之光能量轉換成電流訊號，此電流訊號經適當轉換、放大電路，可提供容易準確量測之電壓訊號，而此電壓訊號與通過之光能量成正比，並將資料擷取（DAQ）到電腦後進行顯示或加以儲存其電壓資料，以達到監測記錄應變及波長變化。根據 20Hz 應變/波長漂移試驗結果顯示，此系統之動態反應可達 20Hz。 3.4 掌握物理量變化與FBG反射頻譜之關係 溫度感測方面，將光纖感測器(包含布拉格光纖光柵及長週期光纖光柵)置於溫控箱中，並將精密之熱電耦與光纖感測器擺在一起，同時監測溫度變化對量調變型光纖光柵量測系統所輸出之電壓值的關係，此系統之溫度解析度可達 0.006。 3.5 充份掌握應變與溫度、波長飄移及頻譜變 化之關係 短週期布拉格光纖光柵及長週期光柵收到溫度擾動時，其頻譜會受到環境影響而產生飄移，圖四為各種光纖光柵共振波長受溫度擾動而飄移，其波長飄移與溫度變化呈線性關係，因此感測器可用來溫度量測，由圖四中可知對溫度最敏感的是單纖殼長週期光柵 single cladding-LPFG(SC-LPFG)之溫度飄移係數為 -284 pm/o C 表示該光柵對溫度最為敏感，且溫度上升時 SC-LPFG 之共振波長會往短波長方向飄移；其次為雙纖殼長週期光柵 doulbe cladding-LPFG(DC-LPFG) ，其溫度飄移係數為 29.7pm/o C，約為 SC-LPFG 溫度飄移係數的十分之一，較不敏感的是單纖殼布拉格光纖光柵 single cladding-FBG(SC-FBG) 與雙纖殼布拉格光纖光柵 doulbe cladding-FBG(DC-FBG)，其溫度飄移係數分別為 7.4pm/o C、9.6 pm/o C，因此溫度感測器以單纖殼長週期光柵(SC-LPFG)最為理想，所以選定 SC-LPFG 進行溫度感測實驗，並利用上述能量調變型光纖光柵解調系統，將布拉格光纖光柵之反射波長保持不變，以單纖殼長週期光柵 (SC-LPFG)為溫度之感測元件，則隨溫控箱溫度上升時，其衰減波長發生相應的飄移，如圖五(a) 所示，利用此變動之穿透頻譜對從布拉格光纖光柵反射而來的窄頻雷射光源進行調變，可使最後通過光路的窄頻雷射光源亮度改變，藉由量測光收二極體所測得光能量，就可量測其溫度變化所造成的電壓改變值。如圖五(b)此實驗所施加的溫度變化範圍是 25~60℃，而電壓變化的輸出結果範圍為 1~10V，從圖五(a)可明顯看出在溫度變化範圍 25~40℃及 45~60℃其電壓變化與溫度變化幾乎呈線性關係，其變化解析度約為 400mv/℃，若以 12bit 擷取卡 DAQ 在 0-10V 擷取範圍之解析度 2.4mV，則系統解析度將可達到 0.006℃，比傳統熱電耦(解析度較差約 0.5℃左右)更精準，適合微溫度場感測，所以可應用於生醫及化學領域，此外，溫度量測探頭之熱容量大，待測物的溫度易因感測元件的接觸而改變，且光纖感測器由於其具有多點量測、即時反應、細徑質輕、不受電磁場干擾…等優點，又可埋入待測物之內部中，乃傳統氣體、酒精、水銀溫度計、熱電耦所不及。圖四 各種光纖光柵共振波長受溫度擾動之波長 飄移與溫度變化關係 0 20 40 60 80 100 Temperature(o_C) -20 -10 0 10 20 W a v el en g th S h if t  ( n m ) DC- LFPG 29.7pm/o_C SC- LPG -284.0pm/o_C

GE-B codoped photosensity FBG 7.4pm/o_C Temperature induced wavelength shift cruve

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圖五(a) LPFG 之穿透頻譜受溫度擾動而飄移 圖五(b) 以 LPFG 為溫度感測器，配合 FBG 之窄 頻反射效應形成能量調變機制所量測到之電壓 變化

五、計畫成果自評

計畫執行進度如上所述，五項預定工作中均已按進度進行，本年度之計畫結案可如期完成，另外本計劃執行期間，我們利用高分子材料製作長週期波導光柵發現其溫度敏感性高，亦可利用其特性製作本計畫所須之長週期光柵元件，並已列入第二年計畫執行重點。

六、本計劃所產生之論文

1. Chiang, C.C.; Lin, C.L. and Shin, C.S. “Application of the embedded Optical Fiber Bragg Grating sensors in detecting the internal fatigue damage of Gr/Epoxy laminated composites”, J. CSME,vol.27,

no.6, pp.801-807, 2006. (EI) (NSC 95-2218-E-151-003)

2. Yung-Hsien Tsai,Chia-Chin Chang Da-Wei Yeh, Hsion-Yu Chang, Chao Yeh, Wen Long Chang, Shyh-Lin Tsao Study of Waveguide Sidewall Roughness of Direct-Writing SOI Rib Waveguide The Optics and Photonics Taiwan Conference, Taichung, 2007. (NSC 95-2218-E-151-003)

3. 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)

七、參考文獻

1. W. C. Wang, T. B. Chiou, Journal of Composite Materials, Vol. 32, No. 17, pp.15951615,1998.

2. Y. J. Rao, Optics and Lasers Engineering, Vol. 31, pp. 297324,1999. 3. http://www.smartfibres.com/SmartPages/S marthome.htm 4. http://www.cranfield.ac.uk/sims/quality/dt_g roup/completed_projects/smart.htm 5. http://www.smartfibres.com/SmartPages/uc itests.html 6. http://www.isiscanada.com/programs/sensi ng/press.htm

7. R. D. Townsend, N. H. Taylor, Proceedings ofEuromaintencenance’96,1996.

8. A.F. Fernandez, B. Brichard, P.

Borgermans, F. Berghmans, M. Decreton, P. Megret, M. Blondel,& A. Delchambre, Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest, 15th ,Vol.1, 2002, pp.63-66

9. http://www.smartfibres.com/SmartPages/off 10. Chiang, C.C.; Lin, C.L. and Shin, C.S.,

J. CSME,vol.27, no.6, pp.801-807, 2006.(本計劃所產生之論文) 1500 1520 1540 1560 1580 Wavelength (nm) -70 -60 -50 -40 -30 In te n s it y (d b m ) Temperature (oC) 25 30 40 50 60 70

Temperature effect on the spectrums of LPFG

Spectrums of LPFG is wavelength shifted by temperature Reflect spectrum of FBG for narrow bandwidth light source 20 30 40 50 60 Temperature (o_C) 0 2 4 6 8 10 O p ti c P o w er (d b m )