光纖光柵式多波道光纖感測器之研製

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

光纖光柵式多波道光纖感測器之研製

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC93-2622-E-011-013-CC3

執行期間： 93 年 05 月 01 日至 94 年 04 月 30 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電子工程系

計畫主持人： 廖顯奎

計畫參與人員： 王俊容、洪寬綸

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢

中 華 民 國 94 年 8 月 1 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ^{■ 成 果 報 告}

□期中進度報告

光纖光柵式多波道光纖感測器之研製

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號： NSC 93-2622-E-011-013-CC3

執行期間：93 年 5 月 1 日至 94 年 4 月 30 日

計畫主持人：廖顯奎 共同主持人：

計畫參與人員：王俊容、洪寬綸

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

■赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

■涉及專利或其他智慧財產權，■一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學

中 華 民 國 94 年 7 月 27 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

光纖光柵式多波道光纖感測器之研製

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC 93-2622-E-011-013-CC3 執行期間：93 年 5 月 1 日至 94 年 4 月 30 日 中文摘要

由於摻鉺光纖雷射獨特、簡單的架構及優越 的性能，在光源系統、光譜量測及光纖感測 方面，皆有相當優越表現。本專題首先研製 波長可調摻鉺光纖雷射光源；其次是設計環 形摻鉺光纖雷射架構的光纖感測系統。

關鍵詞：光纖雷射、光纖感測、雷射光源、

光纖光柵 英文摘要

Fiber lasers have some merits as its simple structure, narrow linewidth and high power make it suitable for light sources application, spectrum measurement and fiber sensing. In this project, we investigate a high-resolution and low cost fiber sensor system based on fiber grating ring laser and then used it in fiber sensing system.

Key words: fiber laser, fiber sensor, light source, fiber Bragg grating

報告內容

1. 波長可調摻鉺光纖雷射光源的研製

利用光纖光柵波長可調的技術，可以調整光 纖光柵的布拉格波長。而利用第三章所提之 線性及環型共振腔摻鉺光纖雷射架構，由於 其雷射輸出波長是取決於光纖光柵的布拉格 波長，配合波長可調光纖光柵，即可製作出 波長可調光纖雷射，其波長可調範圍由光纖 光柵的波長可調範圍所控制，理論上，輸出 波長可涵蓋摻鉺光纖放大器可放大的波段，

配合「功率等化」的機制，可以製作出線寬 極窄、輸出功率可調、波長可調範圍大的雷 射光源。

1.1 波長可調光纖光柵

波長可調濾波器是插入或取出頻道資訊的重 要元件,主要有模態耦合的可調濾波器、半導

體雷射器結構的可調濾波器、液晶可調濾波 器和光纖光柵等[1]，光纖光柵濾波器由於性 能優越、結構簡單、製作手續簡便，已引起 眾人的注目。光纖光柵濾波器的動作原理是 讓滿足布拉格條件(Bragg condition)波長的光 信號發生反射，而決定反射波長的是光柵的 週期及光纖光柵的有效折射率。我們即是利 用改變光柵週期的方式來製作波長可調光纖 光柵。由布拉格方程式可以得到反射波長與 光柵週期及有效折射率的關係。

B 2 n eff

   (1)

透過施加外力的方式來改變光柵的週期  ， 即可輕易改變光纖光柵的反射波長。進一步 討論會影響布拉格波長漂移量的相關係數，

可由式(5.2)表示[2]。

2

12 11 12

( ) 2 {1 ( )[ ( )]} [ ]

B eff 2

dn

n dT

n P P P T

    n

 

 

          

 

 

 

(2)

其中，  為施加的應力， _{P i j ,} 係數為浦朗克光- 應變張量的係數( Poc ke l ’ s c oe f f i c i e nt s of t he stress-optics tensor) ，  為 帕 松 率 ( Poi s s on’ s ratio)，  是光纖材料的熱膨脹係數，  T 是溫 度 的 變 化 量 。 一 般 ²

12 11 12

( )[ ( )]

2

n P   P  P

 0.22，若只考慮應力對光纖光柵布拉格波長 漂移量的關係，可以簡化成式(3)：

6 1

( )

0.78 10

B

B



 



 



   (3)

利用施加應力的方式去改變光纖光柵的光柵 週期，以達到布拉格波長可調的目的。首先，

製作完成之光纖光柵經退火及纖衣覆鍍的動 作後，將光纖光柵貼覆在高韌性的材料上，

此處選用的是碳纖維複合材料。將光纖光柵

利用黏膠貼覆在複合材料上，待黏膠凝固

後，波長可調光纖光柵即完成。波長調整的

方式是將貼覆在複材上的光纖光柵，置於精

密的移動平台上，利用施以壓力或張力的方 式來改變光柵週期，進而使布拉格波長產生 改變，達到波長可調的目的。當施以壓力時，

光柵週期因為受到壓力而縮小，布拉格波長 會往短波長的方向漂移；當施以張力時，光 柵週期因為受到張力而張伸，布拉格波長會 往長波長的方向漂移。但需注意的是，當施 加的應力太大時，會使光纖光柵的反射率下 降，甚至造成光纖光柵的斷裂。

由於單一光纖光柵的波長可調範圍有限，且 當波長調整的範圍過大時，會造成光纖光柵 反射率的大幅下降，所以我們使用光切換器 及數根光纖光柵組成之波長可調濾波器模組 來增加波長可調的範圍架構如圖 1 所示。

圖 1 波長可調光纖光柵模組架構圖 穿透頻譜疊加圖如圖 2 所示。由穿透頻譜疊 加圖可知，使用由兩根光纖光柵所組成的波 長可調光纖光柵模組可達到 25 nm 的波長可 調範圍，反射率不因波長調整而出現劣化的 現象，反射率皆可維持在 30 dB 左右。由於 調整光纖光柵反射波長的方式是利用外力強 行改變光纖光柵的光柵週期，所以在調整時 要注意光纖光柵反射率的劣化及光纖所能承 受的最大應力，以免光纖光柵發生斷裂。

圖 2 光纖光柵波長可調頻譜圖 1.2 波長可調摻鉺光纖雷射

利用 1.1 小節所提出波長可調光纖光柵模 組，配合線性或環形共振腔摻鉺光纖雷射架 構，即可組成波長可調摻鉺光纖雷射光源。

架構圖如圖 3、圖 4 所示。

圖 3 線性共振腔波長可調光纖雷射架構圖

圖 4 環形共振腔波長可調光纖雷射架構圖 由於摻鉺光纖放大器對不同波長訊號的放大 率並不相同，在線性共振腔摻鉺光纖雷射的 架構中加入可調光衰減器，將輸出功率作平 坦化的作用。另外，如果在製作時，考慮摻 鉺光纖長度與增益曲線平坦度的關係後，亦 可以稍微改善輸出雷射功率不平坦的問題。

波長可調環形共振腔摻鉺光纖雷射的架構圖

如圖 4 所示。利用此架構配合波長可調光纖

光柵模組，利用調整光纖光柵布拉格波長的

方式，達到輸出雷射波長可調的目的。由於

環形摻鉺光纖雷射架構的雷射輸出線寬較

寬，約為 0.07nm，可在主共振腔中加入一小

型共振腔，並使用極化控制器的調整，來改

善此架構光纖雷射的輸出線寬。此架構輸出

頻譜疊加圖如圖 5 所示，使用 1.9 公尺的摻

鉺光纖及 40mW 的泵激光功率，波長可調範

圍為 31 nm，雷射輸出功率為 0 dBm，功率變

動約為 1 dB，輸出雷射線寬為 0.05nm(受限

於光譜分析儀解析度的極限)，訊號雜訊比為

60 dB。波長調整的解析度決定於調整機構的

解析度，我們利用精密移動平台，其解析度

為 0.1 mm，可以達到 0.3 nm 波長調整解析

度。利用線性及環型摻鉺光纖雷射架構搭配

波長可調光纖光柵，製作出波長可調光纖雷

射，此雷射光源可廣泛用於光譜的量測及分

波多工系統的光源，是一個架構簡單、輕便

且特性優良的雷射光源。

圖 5 波長可調光纖雷射頻譜圖 2 使用波長可調光纖雷射之光柵感測系統 自 1989 年 Morey 首次提到將光纖光柵用作感 測以來，光纖光柵受到了世界範圍內的廣泛 重視，並且已經取得了持續和快速的發展。

光纖光柵已經在大型結構工程、電力、航空 航太、船舶、生物醫學、核工業、石化、水 利、石油勘探以及軍事武器裝備等領域均獲 得了應用[2]。光纖光柵感測主要是在化學氣 體感測、醫學壓力感測、動力旋轉和方向感 測、溫度感測等領域及與智慧型結構(Smart structure)的應力應變感測。幾十年來對結構 應變的測量主要採用電阻應變片，但電阻應 變片易受溫度、濕度等環境因素的干擾，無 法在工程上長期且可靠地使用。光纖光柵是 波長調變的感測器，不受光強變化等參數的 影響，特別適合用於惡劣的工程環境。光纖 光柵用於感測、監控方面有幾個顯著的優 點，其中包括 [3]：

1. 抗電磁干擾：包括雷電，以及使用於惡 劣環境的能力，如核電廠。

2. 極小的尺寸：典型直徑為 125m，這是 埋入複合材料中而不影響結構特性的理 想尺寸，是使用於航空航太飛行器的一 大優勢。

3. 抗腐蝕：可用於橋樑、水壩等開放結構 中。

4. 能沿著單根光纖同時使用大量的感測器 進行應變感測，不像電子式感測器需要 大量的導線。

5. 高溫能力：典型約為 300℃。

6. 壽命長：可維持到結構的工作壽命，經 過試驗，光纖光柵經適當地曝光和退火 程序，能穩定地工作超過 25 年而不產生 退化。

使用光纖光柵為感測元件是利用待測物理量 對光纖光柵布拉格波長進行調變，使光纖光

柵的布拉格波長發生變動，並透過解調的機 制，將待測物理量的變動量解調出來，達到 監控的目的。有鑑於上述的優點，光纖光柵 已經成為感測系統中相當重要的元件之一。

使用光纖光柵再搭配摻鉺光纖雷射共振腔，

可依監測的距離調整光信號的功率，而且經 由雷射共振腔的雷射作用，可將部份旁模濾 除，使訊號的線寬變窄，提高感測系統的精 確性。

2.1 傳統式光纖光柵感測系統

傳統式的光纖光柵感測系統是利用寬頻譜光 源，如摻鉺光纖放大器自發性放射或發光二 極體(Light emitting diode, LED)為光源，但此 類光源的光功率較低，不適合用於長距離的 監測系統，而信號的光功率亦影響信號分析 處理的準確性及可靠性。傳統光纖光柵感測 系統是利用寬頻譜光源，經由光纖的傳導，

將光源傳送至由光纖光柵所製成的感測端；

藉由待測物理量對光纖光柵布拉格波長進行 調變，使光纖光柵的布拉格波長發生變動，

偵測反射回解調端的光信號之波長變動量，

經由運算，可得到待測物理量的變動量。其 架構圖如圖 6 所示。

圖 6 傳統式光纖感測系統

圖 7 為傳統式光纖感測器的穿透頻譜疊加 圖，經由待測物理量的調變，使光纖光柵的 布拉格波長發生變動，從圖 7 可看出，當對 光纖光柵施以拉力時，光纖光柵的布拉格波 長將從短波長處向長波長的方向漂移。

圖 7 傳統光纖光柵反射式感測器穿透頻譜

由偵測端所接收到的信號如圖 8 所示，其 3

dB 頻寬為 0.3nm，功率為-23.8 dBm，當對光 纖光柵施以 1000  的拉力時，由圖 9 可以 看 出 光 纖 光 柵 布 拉 格 波 長 變 動 量 為 1.76 nm。但由於光纖光柵的反射頻寬較寬，無法 進行更精確的監測，使監測的解析度較低；

其反射功率也較低，無法用於長距離的監 測，對於長距離的監測會由於功率的降低而 導致判讀準確性下降的缺點。利用傳統的光 纖感測架構進行拉力的感測，光纖光柵受拉 力對布拉格波長的調變，使光纖光柵的布拉 格波長產生變動，施以 1000  的拉力時，

光纖光柵布拉格波長產生 1.76 nm 的波長變 動 量 ， 如 圖 9 所 示 ， 換 算 靈 敏 度 約 為 0.18 nm /100 。但由於是使用摻鉺光纖放大 器自發性放射為光源，反射光的能量僅-23.8 dBm，如使用此架構進行長距離的監測，反 射光功率將會更低，影響解調機制判讀的正 確性。

圖 8 傳統式光纖光柵感測器反射訊號頻譜圖

圖 9 傳統式光纖光柵感測器反射頻譜疊加 在下個小節中，我們將摻鉺光纖雷射的架 構加入光纖感測系統中，可以達到降低信號 的 3 dB 頻寬，提高信號的功率，使其能夠達 到更精確、長距離監測的目的。

2.2 以環形光纖雷射為光源的光纖感測系統 使用摻鉺光纖雷射作為光纖感測器的光源，

不僅可以降低信號的 3 dB 頻寬，同時還可以

依實際監測的距離而調整信號的功率，減少 後續解調動作時發生錯誤的機率，同時亦可 使監測的精確性提升。使用環型摻鉺光纖雷 射作為光源的光纖感測系統架構圖如圖 10 所示。

這個架構使用環形摻鉺光纖雷射共振腔 作為感測系統的光源，將由光纖光柵組成的 感測元件，置於待測環境中，讓待測物理量 對光纖光柵布拉格波長進行調變；經由待測 物理量調變後所反射的光信號經由光循環器 回到雷射共振腔中，經過雷射作用，可以產 生雷射輸出信號，信號波長即為被調變後光 纖光柵的布拉格波長。使用比率耦合器自雷 射共振腔中取出部份信號，再利用分波多工 耦合器，將殘存的泵激光源濾除，送至光譜 分析儀進行信號的判讀。圖 11、圖 12 所示 為使用光纖雷射為光源之光纖感測器信號頻 譜圖。由頻譜圖可以看到，信號的功率由傳 統式光纖感測系統的-23.8 dBm 提升至 0 dBm，可以提升信號的光功率，而且在相同 的條件下，由於都是利用待測物理量對光纖 光柵布拉格波長進行調變，所以波長變動的 範圍和傳統式感測系統相同。使用環形雷射 架構作為光纖感測系統的光源，除了可以將 信號的功率提升，還可以將信號的 3 dB 頻寬 變窄、提升訊號的訊號雜訊比，茲就傳統寬 頻譜光源拉力感測器與使用環型摻鉺光纖雷 射架構為光源的拉力感測器感測信號作一比 較，可清楚看出感測訊號在 3 dB 線寬及訊號 功率及訊號雜訊比皆已獲得大幅的改善。

圖 10 環形光纖雷射感測器架構圖 2.3 光纖光柵溫度感測器

光纖光柵極易因外界溫度變動而使布拉格波

長發生漂移，當光纖光柵用作光通訊濾波元

件時，這個特性需要額外的溫度補償機制來

補償光纖光柵布拉格波長因溫度變化而造成

的波長漂移。但當光纖光柵用作溫度感測器 時，這個特性反而讓光纖光柵獲得相當成功 的應用。一般二氧化矽的熱膨脹係數較小，

當溫度發生變動時，使用二氧化矽為材料的 光纖光柵雖仍會因溫度的改變而發生布拉格 波長的漂移，但變動的範圍並不大，需要精 密的解調機制方能正確的解調。

圖 11 使用光纖雷射架構為光源之光纖感測 器訊號頻譜圖

圖 12 光纖雷射感測器頻譜疊加圖 某些材料的熱膨脹係數遠大於二氧化矽，

如：鉛、鋁…等，如果將光纖光柵貼覆在該 材料上或使用電鍍的方式，將材料均勻地鍍 在光纖光柵的表面上；當溫度改變時，由於 該材料熱膨脹係數大於二氧化矽，將因溫度 的上升而發生膨脹，該材料膨脹後會對包覆 在材料中的光纖光柵產生一微小的應變力，

該應變力將造成光纖光柵的光柵週期改變，

進而提高光纖光柵對溫度的靈敏度。我們所 採用的方法是將光纖光柵利用黏膠黏貼在鉛 片上，示意圖如圖 13 所示。

圖 13 提高光柵溫度靈敏度之方法示意圖

利用貼覆的方式，對不同溫度光纖光柵反射 波長的變動曲線如圖 14 所示。利用這個方 法，成功將光纖光柵對溫度的靈敏度，從 13.3 pm / ^ C 提升至 33.1 pm / ^ C 。如果能使用 電鍍的方式，將光纖光柵整個包覆在材料 中，可以使因溫度變化所產生的應變力更均 勻的施加在光纖光柵上，讓光纖光柵對溫度 的靈敏度更加提升。

圖 14 貼覆鉛片後光柵溫度靈敏度比較圖 2.4 解調機制

解調的機制是利用受待測物理量調變後的光 信號，經由長週期光纖光柵衰減式的濾波動 作後，將信號波長的變動量轉換成為功率的 變動量；檢光二極體再將功率的變動量，轉 換成為光電流的變動量；在差動放大器的輸 入端加入適當的電阻，使其產生相對應的輸 入電壓；並經由電壓放大器將所接收到的電 壓進行適度的放大後，利用類比/數位轉換器 將所接收到的電壓變動進行量化；最後經由 微處理器的運算，將監測的結果顯示在液晶 顯示器。首先使用長週期光纖光柵對信號進 行處理，利用其針對不同波長的光信號具有 不同衰減量的特性，可以將波長的變動量轉 換成為光功率的變動量。長週期光纖光柵頻 譜圖如圖 15 所示。

圖 15 長週期光纖光柵頻譜圖

由頻譜圖可以看出長週期光纖光柵對不同波 長信號的衰減量是線性的，選擇線性度較佳 的波段，如 1533 nm 至 1537 nm 波段，該波 段線性度較佳，衰減曲線之斜率也較陡，可 以在很小的波段內，產生明顯的功率變動，

使檢光二極體產生差異較大的光電流變化，

使經過轉阻放大器而產生的電壓變動量變 大，使用位元數較少的類比/數位轉換器即可 判讀電壓的變動量。檢光二極體的響應曲線 如圖 16 所示。

圖 16 檢光二極體的響應曲線

檢光二極體是採用由 Optoway Technology Inc.

生產之檢光二極體。針對選用的波段，輸入 不同的光強度，可獲得不同的光電流。檢光 二極體的響應曲線並未呈現出線性的趨勢主 要是因為在橫軸的檢光二極體光電流與輸入 光功率的關係式如式所示：

(

)

(1 )

[1 ^d ]

o p

I P e e

hf

 

   (4)

其中， I _p 即產生之光電流， P _o 為輸入光功 率，  為 Freshnel 反射係數，d 為吸收區寬度，

e 為電子的帶電量。將轉換後的光電流送至轉 阻放大器，將輸入的光電流轉換成為相應的 電壓值，再將該電壓送入 8 位元類比/數位轉 換器進行量化，最後將量化後的數據送入微 處理器進行運算，最後將運算後的結果呈現 在液晶顯示器上，解調機制的整體電路如圖 17 所示。

2.5 多重參數之分時多工感測系統

由於使用環型共振腔摻鉺光纖雷射架構為感 測系統的光源，如同時監測多個參數將由於 增益競逐(Gain competition)的緣故，無法同時 產生多個波長的監測信號，故採用分時多工

的方式來進行多參數的感測。多參數感測系 統的架構圖如圖 18 所示。利用光切換器，依 照不同的時間切換至不同的感測器上，達到 多參數感測的目的。

/ EA VP

圖 17 解調機制電路圖

圖 18 分時多工多參數光纖感測器 利用此架構，對溫度、壓力及拉力進行感測 實驗，各參數的響應曲線如圖 19、圖 20、圖 21 所示。

圖.19 溫度感測曲線

由圖 19、圖 20 及圖 21 可以看出各感測參數

所對應的布拉格波長漂移曲線，經過換算可

以得到光纖感測器對溫度、壓力及拉力的感

測靈敏如表 2 所示。布拉格波長的變動量經

過長週期光纖光柵、檢光二極體及轉阻放大

電路轉換成電壓後，可以得到相應的電壓變 動量，如表 3 所示。

圖.20 壓力感測曲線

圖 21 拉力感測曲線

表 2 感測參數波長漂移靈敏度

感測參數

(nm) 波長變動靈敏度

溫度 1542.4 ~

1545.46 34 pm / ^ C

壓力 1540.0 ~ 1542.82

0.31

/100 nm pm

拉力 1544.4 ~

1547.76 0.37 nm /100 

表 3 感測參數電壓變動靈敏度

感測參數 偵測電壓變

動量 電壓變動靈敏度

溫度

1.5 V~2.8 V 0.03 V / ^ C

0.68 V~1.2 V 0.06 V /100 pm

1.6 V ~3.7 V 0.23 V /100 

3 小結

利用環形共振腔摻鉺光纖雷射架構作為光纖 感測器之光源，成功提高了信號的功率，由 使用摻鉺光纖放大器自發性放射作為光源的

-23.8 dBm 提升為 0 dBm，如需使用於長距離 的監測，可以藉由調整摻鉺光纖長度及泵線 光源的功率來提高訊號的功率；並藉由雷射 作用，使訊號的 3 dB 頻寬由傳統的 0.3 nm 降 為 0.06 nm，可以提升感測的精確度。在溫 度、壓力及拉力的感測實驗中，利用此架構 光纖感測系統，經過解調機制的解調，達到 溫度、壓力及拉力的波長漂移靈敏度分別 為 ： 34 _{pm /} ^ _C 、 0.31 _{nm /100 pm} 及 0.37

/100

nm  ；在經過解調機制轉換為電壓的 靈敏度分別為：0.03 V / ^ C 、0.06 V /100 pm 及 0.23 V /100  ，各參數的監測皆相當的靈 敏且準確。透過分時多工的方式，可以切換 不同的監測物理量，此時光切換器需與微處 理器同步，方能準確運算出正確的監測結果。

參考文獻

[1] Ha r r y J . R. Dut t on, “ Unde r s t a ndi ng opt i c a l c ommuni c a t i on, ” Pr e nt i c e Ha l l , 1999.

[2] C. G. Kersey, M. A. Putnam, E. Joseph Fr i e be l e , “ Fi ber Gr a t i ng s e ns or s , ” IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 15, no.

8, 1442-1463, 1997.

[3] J os e ph W. Goodma n, “ Fi be r opt i c s ma r t s t r uc t ur e s , ” J ohn Wi l e y & Sons , 1995.

[4] C.-S. Shin, C.-H. Lin, C.-C. Chiang, C.-J.

Wang, and

“ Temperature compensated fiber Bragg grating using fiber reinforced polymeric composites” , OECC2005, Seoul, Korea, Paper No.8D2-5.

[5]

Liu and J.-S. Ko, “ C-band continuously tunable lasers based on fiber Bragg gratings, The 9th Optoelectronics and Communication Conf e r e nc e ( OECC’ 2004) , Yokoha ma , J a pa n, paper 13P-89, pp. 288-289.

計畫成果自評

本研究內容與原計畫相符程度極高、預計設 計一種光纖雷射架構用以提昇光纖感測之解 析度，都已經達成目標。部分內容也已經於 國際會議上發表[4-5]，並且將轉化為專利申 請，合作廠商也表示肯定，故自評整體成績 約 80-85 分。

可供推廣之研發成果資料表

（如附件二）

可供推廣之研發成果資料表

■ 可申請專利 □ 可技術移轉 日期：94 年 07 月 27 日

國科會補助計畫

計畫名稱：光纖光柵式多波道光纖感測器之研製

計畫主持人：廖顯奎

計畫編號：NSC 93-2622-E-011-013-CC3

學門領域：光電

技術/創作名稱 一種提昇光纖感測解析度之環形光纖雷射架構 發明人/創作人 ^{廖顯奎 王俊容}

中文：由於摻鉺光纖雷射具有獨特、簡單架構及優越的性能，在光源系統、

光譜量測及光纖感測方面，皆有相當優越表現。本專題首先研製波長可調摻 鉺光纖雷射光源，我們利用波長可調光纖光柵與光循環器完成設計概念；其 次是設計光纖雷射架構的光纖感測系統，在價格上與解析度特性上都有所增 進。

技術說明

英文：Fiber lasers have some merits as its simple structure, narrow linewidth and high power make it suitable for light sources application, spectrum measurement and fiber sensing. In this project, we investigate a high-resolution and low cost fiber sensor system based on fiber grating ring laser and then used it in fiber sensing system.

可利用之產業及 可開發之產品

光電、光纖感測

技術特點

高解析度

響應速度快 全光纖模組

推廣及運用的價值

具有潛力

※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位研發成果推廣單位（如技 術移轉中心）。

※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

※ 3.本表若不敷使用，請自行影印使用。

附件二

行政院國家科學委員會補助小產學計畫成果報告

國外差旅費(亞太光通訊會議及北京高校參訪)

計畫類別： █ 個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 93-2622-E-011-013-CC3

執行期間：93 年 05 月 1 日至 94 年 04 月 30 日

計畫主持人：廖顯奎 國立台灣科技大學電子工程系 副教授 TEL: (02) 2737-6384, e-mail: [email protected]

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

▓赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□ 國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立台灣科技大學 電子工程系

中華民國 94 年 07 月 26 日

行政院國家科學委員會補助出席國際會議成果報告

參加亞太光纖通訊會議及北京高校參訪

中文摘要

本文摘錄 2004 年 11 月 8-12 日赴大陸出差之心得報告，主要參訪目標有二：其一為參加部 分亞太光通訊會議（APOC），聆聽演講與商品展示巡禮；其二為北京學術機構光通訊實驗室 參訪，包括北京大學、清華大學與北京交通大學等單位。

關鍵詞：亞太光通訊會議、北京大學、清華大學與北京交通大學 英文摘要

In this report, the author summary the activities in Beijing, China during the 2005 Asia Pacific Optical Communication Conference, from November 8 to November 11. The author also visited some laboratories of Peking University, Tsing-Hua University and Beijing Jiao-Tung University.

Key words: APOC, Optical communication, Universities.

一、APOC 會議

亞太光通訊會議 APOC 為 Asia-Pacific Optical Communications 之縮寫，主要目的以討論光學 元件、發展、技術為主。在會議中集合業界之專家、工程師以及來自電信營運商、投顧公司和 領導國際設備商等，一起討論光電的最新趨勢。會議針對被動元件以及光纖服務、半導體和有 機光電材料，另外還討論有關於光元件之傳送、切換與網路架構和其他相關的應用。第一屆 APOC 會議於 2001 年 11 月 12-16 日假北京市舉行，主辦單位為國際光電工程學會(SPIE)、中 國通信學會（CIC）及中國光學學會（COS）等；協辦單位為美國光電子産業發展協會（OIDA）

及臺灣光電協進會（PIDA）等。四年之後，APOC 再度回到北京，2004 年的會議就在北京國 際會議中心舉行。有來自三十個國家和地區的數千名專家參與這場會議，除了專業學者之外，

還有上萬名的業界專家參與會議。對下一代網絡的實踐、光網絡發展及新業務策略與趨勢，光 通信技術研發動態與應用前景等話題進行了深入探討，為光通信領域的深入交流與對話創造一 個窗口和機會。

近幾年中國大陸光通信技術進步很快，光通信產業蓬勃發展，因此全世界注意到中國大陸 市場的重要性，很多光通信產業的龍頭紛紛進軍中國，同時也提升了中國大陸光通信產品的水 平。在這裡絲毫嗅不出光通訊的不景氣，反而是朝氣蓬勃發展。對於亞洲地區光通信產業發展，

產生極大的影響力。本屆的討論主題有：Passive Components and Fiber-Based Devices、

Semiconductor and Organic Optoelectronic Materials and Devices、Optical Transmission, Switching, and Subsystems、Network Architectures, Management and Applications。工作坊與 Photonics Asia 共同舉辦，所以額外多個演講也免費獲得光電元件、模組與系統之技術。

筆者摘錄會議部分演講內容：

1. Next generation home network link and relevant technologies

「頻寬充裕的環境由 Fiber-To-The-Home (FTTH)的技術所實現。2004 年二月底前，在日本 FTTH 的使用者已超過了一百萬人。由於有大量的資訊內容、低的月付費用以及低成本的設備技術出 現，使用者人數一天天持續成長。使用者對應用或內容的消費也在改變：高解析度視訊 (HDTV) 的出現、寬頻內容，例如迪士尼電影經由網際網路來分送。Fiber-To-The-Desk (FTTD)應用最 近也被提出來討論，用來提供更高的速率給家中或辦公室的桌上終端設備。當前的家庭網路利 用專用網路/專線；網際網路經由無線區域網路/乙太網路電纜，視訊信號經由例如 IEEE 1394，

以及利用電力線控制家戶設備。 下個世代的家庭將會有更多高解析度的視訊終端、網路設

備、許多與網路連線的感測器，以及更多高性能的網際網路終端機。為了支援這些多樣性的終

端機效能和成本效益，需要研究發展新的家庭網路技術。 下個世代的家庭網路技術議題包

括幾個不同的項目例如網路拓樸，傳輸媒體的考量包括有光學/金屬/無線，協定包含頻寬控制，

家庭閘道器功能，以及成本。」隨著家庭網路光纖化的趨勢，光纖具有高容量、低雜訊的優勢，

是優良的傳輸媒體。現有的光迴路服務中以 FTTB 為主流，將光迴路導入用戶大樓，個別用戶 再以 RJ-45 網路介面連上 L2-Switch 連接網際網路。未來將有「光纖到戶」、「光纖到桌」的 服務形態。由文中所描述目前這樣的理想已經到來，面對新的服務就有新的問題要克服：

包括幾種網路拓樸(星狀/迴路/巴士)在相同的高速目標下的比較。HGW 所需具有的功能討論頻 寬控制協定及其功能。上列幾點是目前最主要的議題，相信在不久的將來” 新世代的家庭網路”

服務即將出現在我們日常生活中。

I.

2. Optical Ethernet netwok based on WDM technology

光通訊即將來臨的春天，北美許多通信業者已經開始將焦點放在收益的成長與市場的佔有，同 時繼續減少營運資本的支出。成長有意義的部分將是來自於許多的行動或可攜式服務(語音、

數據、視訊流)的無線網路之上。另一個重要的成長領域來自於許多有線網路上的數據服務。

價昂的自然頻譜，用來做為行動或可攜式服務的應用，驅使共享使用以減少成本。做為一個結 果，以隨機射頻信號傳播環境而言，無線接取區段比採用數位用戶迴路或同軸電纜的有線接取 區段有著更多的傳輸損失(延遲、時閃、封包遺失、傳送損耗)。也因此，無線服務比有線服務 對光傳送網路有更多迫切需求，相同端對端服務性能必須維護。再者，如同 ITU-T 建議書 G.1010 所說明的，使用者對 QoS 的期望在多媒體應用的範圍上有很大的不同，這將對傳送網路導向 不同的最小需求，承擔大部分流量。導因於應用將橫越過大都會及/或核心傳送網路，支援多 重服務的需求來自於有線和無線接取網路，避免浪費網路資源和容量對通信業者而言是個很大 的挑戰。〝一種尺寸適應全部〞，有彈性的傳送網路解決方案建立，和運作以傳送所有的服務 將會過於昂貴。換言之，減少網路成本結構的持續壓力驅使通信業者打散和聚合不同的網路，

採納更多整體網路元件，並推動數據/語音、交換/多工功能朝向邊緣化，這將增加上述的挑戰。

對通信業者和網路設備製造商，如何使用較少的網路元件，在下個世代的傳送網路中，高效益 低的傳送多種有線或無線的服務給終端使用者。

這份文件中將以通信業者的角度討論服務導向概念的傳送網路。詳述傳送多重/多媒體服 務的挑戰為開始，對有線/無線的應用使用較少的網路和較少的網路元件。將焦點放在少數幾 方面，說明服務導向傳送網路的概念，包括利益、需求和問題。包含高效率、快速和傳送網路 的可調整重建，服務導向的城市和核心傳送網路以及服務導向 QoS 需求轉換跨越不同的網路 區段。文件中將對關鍵領域建議、斷定、幫助了解服務導向傳送網路。

商品展示與專家論壇

「APOC 2004」光通訊展覽雖定位為亞洲區域性展覽，相對於成長趨近停滯的歐美日，大陸被 視為未來五年全球光通訊成長最快速市場，因此受到重視程度不亞於全球第二大展歐洲光通訊 研討會議「ECOC」，參展分類包括光通信系統設備、光通信元件、測試儀器、網路工程輔助 設備、軟體及行動通信設備等。台灣與大陸光通訊業者在此次展場中，分別展現在模組組裝與 原材料開發上的優勢，幾家大陸業者都推出雙折射率佳之釩酸釔（YVO4）晶體。光纖預型體也 是展覽中的焦點，超過二百家的參展廠商中，大陸業者即佔有四成，一半以上是光通訊材料產 品。在光通訊設備方面，大陸之巨龍、大唐、中興與華為之參展規模與國際大廠北電(Nortel)、

朗訊(Lucent)與阿爾卡特(Alcatel)相較並不遜色太多。在光通訊發展論壇單元，參與演說廠商包

含 AT&T、中國網通、Corning 等著名公司。

資料統計與訊息

今年出席會議之人士除地主國大陸之外以日本、韓國、美國居前三位，而美國參與人士多以 邀稿論文為主。本會議共有九個研習課程，70 篇邀請論文，台灣共有約篇 40 論文篇，包括 交大、中山、台大、長庚大學、工研院、中華電信研究所等單位。明年 2005 年將在上海舉辦，

2006 年在南韓爭取下將在光州舉辦，算是會議第一次在大陸之外舉辦。

二、北京高校實驗室參訪

北京是中國大陸的政商中心，也是教育與學術重鎮，孕育若干頂尖大學。筆者參訪三所大學

（一）北京大學

北京大學創於 1898 年，是中國第一所國立綜合性大學，2001 年大學排名第一。1937 年盧 溝橋事變後，北京大學與清華大學、南開大學遷往昆明，合組西南聯合大學，作家筆下之「未 央歌」正是描述西南聯大於抗日戰爭期間之國破家亡與兒女情愁。北大現擁有的教授、國家兩 院院士人數及重點實驗室的數量均居全大陸之首。我們拜訪北大電子系，在光通訊技術方面，

北大於 1992 年提出利用 WDM+EDFA 技術實現通信幹線系統擴容的建議與研究，1995 年完成 了 8 頻道和 12 頻道 WDM+EDFA 光纖傳輸實驗系統，1997 年完成了工程化的 4×2.488Gbit/s 雙 向 154 公里無中繼分波多工光纖通信系統。在產業應用方面，於 1997 年 5 月安裝於廣州—深圳 段之光纜幹線進行現場測試，並通過鑒定及試用，該系統是大陸第一條實用化的分波多工系統，

也是當時單蕊光纖傳輸容量最大的系統。近年來北大積極參與國家 863 計畫，在光通訊次系統 傳輸與 WDM 傳輸技術上扮演極重要角色。

（二）清華大學

清華大學始建於 1911 年，地處北京西北郊之前清皇家園林區，緊鄰頤和園與圓明園，是美 國退還的部分庚子賠款所建立的留美預備學校，2000 年大學排名第一。清華大學的 EI 收錄論 文及 SCI 收錄論文分居全大陸第一與第二位，清華大學與國際企業建立了聯合科研、培訓中心 達 40 個。我們參訪電子系、資訊光電子研究所，研究項目包含分波多工全光網路技術、光信號 塞取(add-drop)及及光交叉互聯(cross-connect) 技術，非同步傳輸模式（ATM）光交換技術及系 統、半導體元件及應用、高速大容量光纖通信和寬帶光纖網路、積體光學、薄膜技術和材料檢 測、光纖感測應用、光纖色散及 PMD 補償技術、光電子元件、光微機電系統(OMEMS)及光纖 陀螺技術等。近期在主動及被動光元件之研發，包含拉曼光纖放大器、光纖雷射、光纖網路元 件等，清華大學並與貝爾實驗室建立光通信網路聯合實驗室，可說是兼具研究廣度與深度。清 華大學光通訊技術在大陸咸認是學界第一，擁有相關領域之教授近二十位。

（三）北京交通大學

北方交大是大陸四所交通大學（西南交大、上海交大、西安交大與北方交大）之一，位於 北京市西北郊區，是大陸教育部直屬之重點大學，「八五」以來之科研專案數在大學中名列前 矛。北方交大之光波技術研究所成立於 1987 年，現有相關光通訊教授十餘位，産、學、研相結 合鏈很完整。在研製束管式光纜系列、光纖預型體、光纖光柵、光纖元件上有相當經驗與傲人 成績。近年進行之研究計劃包括束管式新型通信光纜、中國鐵道部支援之南京—蕪湖光纜工程、

常規光纖色散補償及新型色散互補光纖、光纖監視系統、超高速光通信系統色散補償之研究、

增益平坦化之新型光纖元件等。知名之研究計劃包含國家 863 計劃中，自製 16 波道之色散補償 光纖光柵，用以傳輸四百公里之 10Gb/s 調變信號。校名於 2003 年改為北京交通大學，學校排 名更進一步提昇。

（三）心得感想:

光通訊未來之發展方向，需具有更大容量、更簡單、更低廉的傳送運營費用等優勢，對中國

通信產業的持續發展具有不可估量的推動作用。今年會議有幾個重點：

未來整個全球的傳輸網路架構可能朝向自動開關光學網路(ASON)的方向發展，而其中之光學 元件的使用，如 DFB-LD、光開關、可調濾波器、波長轉換器、interleavers (間格器)、多 工器及 de-多工器等，便佔著非常重要的角色。而高速、高容量的光纖通信及寬頻的光纖網 路均是最重要的研究發展方向之一。光學印刷電路板(O-PCB)藉由小型、高密度之光學元件的 組合，發展出更快速、體積更小、損耗更低等之優勢性能，是未來在 VLSI micro/nanophotonic integration 之研發重點之一。提升 DWDM 網路系統效能、EDFA、ASON 及 O-PCB 等現在都已有 很好的研究成效出現，且已有多項研究成果發表並有許多的應用實例。隨著 3G、NGN 等下 一代網絡建設的逐步鋪開，光通信領域仍然具有極其廣闊的發展空間和市場機遇；同時，也 應看到當前光通訊市場的發展，在城域傳輸網如何適應未來多業務傳送的需求能充分交流探 討，促進光通訊產業的發展。

致謝

感謝國科會補助出席會議補助，陳宛均小姐之資料校正與整理。