TWI458939B - Highly sensitive optical interferometer and its making method - Google Patents

Description

高靈敏光干涉儀及其製作方法

本發明是有關於一種干涉儀及其製作方法，特別是指一種高靈敏光干涉儀及其製作方法。

此光干涉儀(一般也稱法布里-珀羅光干涉儀)主要是透過位於一腔體兩相反端的光反射面所形成的同向行進的光，而形成一束干涉光波，並蒐集該干涉光波的值，再經計算而轉換成為光干涉儀所處環境的變化值，而可廣泛地應用作為感測器。

參閱圖1，目前的光干涉儀包括一基板11，及一藉由一黏膠14黏結於該基板11上的光纖12。該光纖12具有一纖芯124(core)，及一以包覆該纖芯124的方式並與該纖芯124同向延伸形成的披覆層125(cladding)。此外，該光纖12還界定一往該基板11方向凹陷的空腔13、一位於該光纖12其中一末端的第一端面121，及位於該空腔13兩相反端的一第二端面122及一第三端面123。

當一束入射光波自該第一端面121往該第二端面122的方向行進行，部分入射光波經該第二端面122反射，部分入射光波穿過該第二端面122，並將該第二端面122與該第三端面123作為反射鏡(mirror)，在該空腔13中經共振作用後，形成往該第一端面121方向行進的光，則經該第二端面122反射而朝向第一端面121的光，與經空腔13共振作用後往該第一端面121方向行進的光共同形成一干涉光 波；當外在環境的溫度、壓力…等參數改變時，該空腔13的體積隨之改變(特別是長度或長度改變)，而形成不同的干涉光波，因此，該光干涉儀可進一步作感測器的用途。

參閱圖2，上述光干涉儀的製作，通常是先準備該基板11，並將一條完整的光纖12以該黏膠14黏結的方式連接於該基板11表面。

接著，以雷射光自該披覆層125遠離該基板11方向的表面往鄰近該基板11的方向蝕刻(curve)該光纖12，直到對應該雷射光的纖芯124完全移除，而成為一自該光纖12的披覆層125往該基板11方向凹陷的空腔13，或還可繼續蝕刻直到對應該雷射光的基板11裸露，即完成該光干涉儀的製作。

由於，該光干涉儀的空腔13為位於兩端面的光纖12所界定，而光纖12的構成材料通常以熱膨脹係數低的二氧化矽為主。因此，目前光干涉儀的空腔13變化量極不明顯，而無法順利地藉由改變空腔13體積所形成的相異干涉光波值，進而精確地轉換得到外在環境的感測值。

此外，該光干涉儀的空腔13是以雷射蝕刻的方式所形成，除了雷射光設備的價格昂貴，對準光纖12及蝕刻光纖12的過程也較為複雜，且還需對雷射蝕刻製程非常熟練的技術人士才能順利地製作該光干涉儀，也導致該光干涉儀的製作門檻太高而難以量產。

因此，本發明之目的，即在提供一種新型態的高靈敏 光干涉儀。

又，本發明之次一目的，即在提供一種製程簡易的高靈敏光干涉儀的製作方法。

於是，本發明高靈敏光干涉儀，包含一第一光波導元件、一第二光波導元件，及一填充體。

該第一光波導元件包括一第一端面，及一相反於該第一端面的第二端面，並供一束入射光波自該第一端面進入後往該第二端面行進。

該第二光波導元件包括一界定一與該第一光波導元件的第二端面連接的通道的管壁。

該填充體位於該通道且以材質異於該管壁的材質所構成，該填充體、該管壁，及該第二端面共同界定該通道鄰近該第二端面的區域成一空腔，而使該束入射光波經該第二端面與行進於該空腔時部分改變行進方向的光形成一向該第一端面且以多光束干涉的方式行進的干涉光波。

再者，本發明高靈敏光干涉儀的製作方法，包含：

(a)準備一具有相反的第一端面及一第二端面的第一光波導元件，並將一包括一界定一通道的管壁的第二光波導元件連接於該第一光波導元件的第二端面。

(b)利用毛細現象將一液態的填充體填入該通道的部分區域。

(c)硬化該填充體而成為一與該第二端面及該管壁共同界定一空腔的填充體。

本發明之功效：本發明高靈敏光干涉儀藉由異於第二 光波導元件的材質所構成的填充體，配合管壁而供所界定出的空腔體積隨外界環境的改變而變化。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3，本發明高靈敏光干涉儀的較佳實施例包含一第一光波導元件2、一第二光波導元件3，及一填充體4。

該第一光波導元件2成長條狀且可撓曲，並包括一第一端面21，及一相反於該第一端面21的第二端面22，自該第一光波導元件2的第一端面21入射的一束入射光波可透過全反射的方式供於該入射光波沿著該第一光波導元件2的延伸方向(也就是自該第一端面21往該第二端面22的方向)行進；若該入射光波自該第二端面22入射，則該入射光波自該第二端面22往該第一端面21的方向行進。

且需說明的是，由於單模光纖為常見的傳統光纖，且具有一以摻雜少量鍺的二氧化矽製得的纖芯，及一以純二氧化矽構成的纖殼，並利用纖芯與纖殼間的折射率不同而形成光波導結構，且纖芯與纖殼的直徑差異極大，而可經過設計後適用於特殊波段的單模光纖傳輸，故該較佳實施例中，該第一光波導元件2實質為單模光纖(single mode fiber)，但不以此為限，可傳送光波即可。

該第二光波導元件3包括一以一假想軸線L為中心並沿著該假想軸線L延伸且連接該第一光波導元件2的第二端面22的管壁31，該管壁31界定一沿著該假想軸線L延伸，並連接該第二端面22的通道32。具體地說，該第二光波導元件3實質為中空光纖，且該管壁31以折射率大於空氣折射率的二氧化矽為主要構成材料，這是因為中空光纖的管壁31(也就是一般所稱之纖殼)為純二氧化矽，而通道32(也就是一般所稱之纖芯)充滿空氣；此外，該中空光纖不同於傳統光纖，中空光纖的纖殼折射率較空氣高，光無法在纖芯傳輸，相較於傳統光纖較不易應用於傳送光訊號的技術領域。

該填充體4位於該第二光波導元件3的通道32中，且該填充體4的材質異於該第二光波導元件3的管壁31的材質。該填充體4、該管壁31，及該第一光波導元件2的第二端面22共同界定一封閉的空腔5，該空腔5即為該通道32中鄰近該第一光波導元件2的第二端面22的區域。

該空腔5的體積與長度d由該填充體4、該管壁31，及該第二端面22共同界定。所以，該空腔5的體積及長度d隨著該填充體4體積的變化而改變；，該填充體4的熱膨脹係數大於該第二光波導元件3的管壁31的熱膨脹係數，則供該空腔5的體積與長度d隨著該填充體4受熱膨脹而縮小。當該填充體4的熱膨脹係數大於該管壁31的熱膨脹熱係數且差異愈加顯著時，位於該通道32中的填充體4受溫度或壓力等外在環境參數影響所產生的體積變化量愈 大，則該空腔5的長度d改變量也愈大。特別地，因為高分子聚合物的熱膨脹係數大於二氧化矽的熱膨脹係數；因此，該較佳實施例的填充體4為高分子聚合物，以利對應以二氧化矽為主要構成材料的中空光纖。

當一束具有預定波長的入射光波自該第一光波導元件2的第一端面21進入並往該第二端面22的方向前進時，部分入射光波經該第二端面22反射的而改變方向為往該第一端面21行前進；部分入射光波經該第二端面22透射而位於該空腔5中，並將該第二端面22及該填充體4的表面作為反射鏡，而於該空腔5中進行干涉為主的動作，後行進於該空腔5中的光再改變行進方向，先穿過該第二端面22並往該第一端面21的方向前進，並與上述經該第二端面22反射的光形成一以多光束干涉的方式行進的干涉光波，且該空腔5的長度d的變化量與該長度d的比值實質等於該干涉光波的波長變化量與該干涉光波的波長的比值：

在該較佳實施例中，該填充體4的體積隨著外界環境--特別是溫度及壓力--的改變而變化；再者，因為該空腔5是由該管壁31、該填充體4及該第二端面22共同界定，則該空腔5的體積與長度d也會隨著外界環境改變而產生變化。且進一步地，由於該填充體4的熱膨脹係數大於該第二光波導元件3的管壁31的熱膨脹係數，所以該空腔5受溫度的改變而在體積與長度d上所產生的變化也較目前僅 由光纖所製得的光干涉儀的變化更為顯著，而確實可應用作為感測器。

為了更清楚明白本發明高靈敏光干涉儀的製作方法，接下來，將詳細說明該較佳實施例的製作方法。

參閱圖3、4，該較佳實施例包含一步驟61、一步驟62，及一步驟63。

首先，先進行該步驟61：先準備一第一光波導元件2，及一第二光波導元件3，其中，該第一光波導元件2具有相反的一第一端面21及一第二端面22，該第二光波導元件3包括一界定一通道32的管壁31；再以瞬間高壓放電的方式同時熔化該第一光波導元件2鄰近該第二光波導元件3的區域，及該第二光波導元件3鄰近該第一光波導元件2的區域，並將該第一光波導元件2與該第二光波導元件3熔接地連接在一起，使該第二光波導元件3的管壁31連接該第一光波導元件2的第二端面22。

接著，進行該步驟62：將一液態的填充物在預定溫度範圍充填入該第二光波導元件3的通道32的部分區域，且該填充體4與該第二端面22間隔，而使該填充體4與該第二端面22間形成具有預定長度d的空腔5。在該較佳實施例的製作方法中，該填充物為液態光聚物(廠牌：Norland，型號：Optical Adhesive 65，簡稱NOA65)，受到紫外光照射時硬化為固態。

最後，進行該步驟63：使用一預定波長範圍的紫外光源照射該填充物，直到該填充物硬化(curing)為該填充體 4，該填充體4穩定地配合該第二端面22及該管壁31，共同界定該空腔5。在該較佳實施例的製作方法中，是利用液態光聚物配合照射波長範圍實質在350nm~380nm紫外光，而硬化成為該填充體4；或該填充物也可具備其他硬化特性，例如加熱硬化，或是物理性的乾燥硬化。

該較佳實施例的製作方法先利用毛細現象供該液態的填充物吸附入該第二光波導元件3的通道32，且初步先界定該空腔5的位置，再硬化該填充物，便可界定出該空腔5，且更重要的是，該較佳實施例的製作方法所利用的原理與製作過程簡易且成本便宜，除了不需如目前以雷射蝕刻的方式必須使用昂貴的設備之外，也不需技術成熟的特定的技術人士才能完成本發明，而具備大量生產的優勢。

參閱圖3、圖5，再者，還需說明的是，該步驟62填充物的填充時間與該空腔5的長度d成反比的關係，也就是說，隨著該填充物的填充時間增加，該空腔5的長度d也隨之減少；以實際測試結果而論，當填充時間同樣80分鐘時，填充溫度為25℃的填充體4長度約為30微米，而填充溫度為50℃的填充體4長度約為60微米；則填充物的填充溫度較高時，可在相同的填充時間形成長度較小的空腔。

參閱圖3、圖6，為一個將上述本發明高靈敏光干涉儀的較佳實施例應用於感測用途的感測系統。

該感測系統主要包含一個光源產生器71、一該較佳實施例高靈敏光干涉儀20，及一個光接收器72。

該光源產生器71用以產生預定波長範圍的光波，在該感測系統中，為產生波長範圍為1250nm~1650nm的寬頻光源。且該光源產生器71產生該入射光波，並傳送至該光干涉儀20的第一端面21，使光於該光干涉儀20中自該第一端面21往該第二端面22行進。

該光接收器72接收來自該高靈敏光干涉儀20往該第一端面21的光，在該感測系統中，該光接收器72為光譜儀，而可量測不同時間點來自該光干涉儀20的光。

其中，該感測系統還包括一傳送光的跳接線74，及一調整來自不同方向的光往特定方向行進的光循環器73，該跳接線74連接於該光源產生器71的雷射光源及該光循環器73間，該光循環器73及該高靈敏光干涉儀20的第一端面21間，及該高靈敏光干涉儀20的第一端面21與該光接收器72間。

當該光源產生器71產生一特定波長範圍的入射光波時，該入射光波經該跳接線74及該光循環器73自該高靈敏光干涉儀20的第一端面21進入並往該第二端面22行進，接著，於該高靈敏光干涉儀20中作動而形成往該第一端面21的光干涉波穿經該第一端面21後經該跳接線74及該光循環器73而以該光接收器72接收，再經外界的處理器處理該光干涉波頻譜。

由於該空腔5隨著該高靈敏光干涉儀20所處環境而改變其體積與長度d，而光干涉波會隨著該空腔5的長度d而產生波長位移，所以可以藉由量測得到的波長位移改變 量，計算得到環境的某特定參數的變化量，進而應用該高靈敏光干涉儀20作為溫度感測器或壓力感測器，及將該感測系統整體應用作為溫度感測系統，或是壓力感測系統。此外，該感測系統不以溫度感測系統或壓力感測系統為限，只要環境參數的變化量會隨之改變該空腔5的長度d皆可。

<感測系統的量測結果分析>

參閱圖3、圖6，以下將分析空腔長度d與溫度變化對光干涉頻譜的影響。

[分析1]空腔長度d對應光干涉波強度的量測分析

配合參閱圖7~圖10，為該光源產生器71提供不同波長範圍的入射光波時，該光接收器72所接收光干涉波的頻譜，並經外界的處理及計算得到的光干涉頻譜；而圖7~圖10不同的地方在於：在相同的填充溫度下改變填充時間所製得的不同空腔長度d的高靈敏光干涉儀20所產生不同的光干涉頻譜。其中，圖7代表量測具有長度d為20微米的空腔5的高靈敏光干涉儀20所形成的光干涉頻譜，圖8代表量測具有長度d為50微米的空腔5的高靈敏光干涉儀20所形成的光干涉頻譜，圖9代表量測具有長度d為70微米的空腔5的高靈敏光干涉儀20所形成的光干涉頻譜，圖10代表量測具有長度d為90微米的空腔5的高靈敏光干涉儀20所形成的光干涉頻譜。

由圖7~圖10可以得知，當空腔長度d較小時，可以得到較為顯著及能量變化大的週期性干涉條紋；而當空腔長 度d較大時，干涉條紋的密度愈高，且由於干涉條紋的能量變化較小，而使干涉條紋關於強度的週期性較不明顯。這是由於光在長度d愈長的空腔5中作用時，會造成干涉圖案的強度愈弱，導致所量得的光干涉頻譜亦不明顯。

[分析2]溫度變化對應光干涉波位移狀態的量測分析

參閱圖3、圖6，首先，為了量測該高靈敏光干涉儀20所處環境的溫度改變時接收到對光干涉頻譜的變化，而將該光干涉儀20置於一於供電時改變溫度的熱電冷凝器(thermoelectric cooler)75表面。

配合圖11，該高靈敏光干涉儀20的空腔長度d為20微米。當該熱電冷凝器75改變溫度時，該高靈敏光干涉儀20感測到溫度的變化，再透過該填充體4的熱脹冷縮而改變該空腔5的長度d。當溫度從25℃上升至35℃時，光干涉頻譜的波長也漸往左移動，而得知該高靈敏光干涉儀20確實可以靈敏地感測溫度的變化。

參閱圖3、圖6、圖12，該高靈敏光干涉儀20的空腔長度d為70微米。類似上述空腔長度為20微米的光干涉儀，當溫度從25℃上升至35℃時，光干涉頻譜的波長也漸往左移動，而由於空腔長度d較大時，干涉條紋所形成的強度值變化量較小且週期性密度較高，使波長位移量較空腔長度為20微米時的波長位移量小而較不明顯。

[分析3]溫度對應光干涉波位移量的分析

參閱圖3、圖6、圖13，從圖式可以瞭解，當高靈敏光干涉儀20的空腔長度為20微米時，溫度變化量對應干涉 波長的位移變化量最為顯著，約為每上升1℃，波長的位移變化量為-1.7nm；而當高靈敏光干涉儀20的空腔長度d為90微米時，溫度變化量對應干涉波長的位移變化量最不明顯，約為每上升1℃，波長的位移變化量僅為-0.4nm，故空腔長度愈小時，波長的位移變化量愈大。

綜上所述，本發明高靈敏光干涉儀的填充體4的熱膨脹係數大而使空腔5的體積與長度d隨外在環境的變化而改變，進而可應用作為反應靈敏的感測系統；此外，本發明高靈敏光干涉儀的製作方法簡易且成本低，也較目前的光干涉儀更具備量產的優勢，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

20‧‧‧光干涉儀

2‧‧‧第一光波導元件

21‧‧‧第一端面

22‧‧‧第二端面

3‧‧‧第二光波導元件

31‧‧‧管壁

32‧‧‧通道

4‧‧‧填充體

5‧‧‧空腔

L‧‧‧假想軸線

d‧‧‧長度

61‧‧‧步驟

62‧‧‧步驟

63‧‧‧步驟

71‧‧‧光源產生器

72‧‧‧光接收器

73‧‧‧光循環器

74‧‧‧跳接線

75‧‧‧熱電冷凝器

圖1是一剖視示意圖，說明目前一光干涉儀；圖2是一剖視示意流程圖，目前光干涉儀的製作方法；圖3是一剖視示意圖，說明本發明高靈敏光干涉儀的較佳實施例；圖4是一流程圖，說明該較佳實施例的製作方法；圖5是在不同溫度條件下填充時間與填充體長度的關係； 圖6一示意圖，說明具有本發明高靈敏光干涉儀的感測系統；圖7是空腔長度在20微米時，波長與干涉光波強度的關係；圖8是空腔長度在50微米時，波長與干涉光波強度的關係；圖9是空腔長度在70微米時，波長與干涉光波強度的關係；圖10是空腔長度在90微米時，波長與干涉光波強度的關係；圖11是空腔長度在20微米時，不同溫度條件下波長與干涉光波強度的關係；圖12是空腔長度在20微米時，不同溫度條件下波長與干涉光波強度的關係；及圖13比較不同的空腔長度的光干涉儀，溫度與波長位移量關係。

2‧‧‧第一光波導元件

21‧‧‧第一端面

22‧‧‧第二端面

3‧‧‧第二光波導元件

31‧‧‧管壁

32‧‧‧通道

4‧‧‧填充體

5‧‧‧空腔

L‧‧‧假想軸線

d‧‧‧長度

Claims (8)

1. 一種高靈敏光干涉儀，包含：一第一光波導元件，具有一第一端面，及一相反於該第一端面的第二端面，並供一束入射光波自該第一端面進入後往該第二端面行進；一第二光波導元件，包括一界定一與該第一光波導元件的第二端面連接的通道的管壁；及一填充體，位於該通道且材質異於該管壁的材質構成，該填充體、該管壁，及該第二端面共同界定該通道鄰近該第二端面的區域成一空腔，而使該束入射光波經該第二端面與行進於該空腔時部分改變行進方向的光形成一向該第一端面且以多光束干涉的方式行進的干涉光波。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之高靈敏光干涉儀，其中，該空腔的體積隨該填充體受外界溫度改變而變化，該填充體的熱膨漲係數大於該管壁的熱膨脹係數。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之高靈敏光干涉儀，其中，該空腔的體積隨該填充體受外界壓力改變而變化。
4. 依據申請專利範圍第2項所述之高靈敏光干涉儀，其中，該填充體的主要構成材料為高分子聚合物，該第一光波導元件為單模光纖，該第二光波導元件為中空光纖。
5. 一種高靈敏光干涉儀的製作方法，包含：(a)準備一具有相反的一第一端面及一第二端面的第 一光波導元件，並將一包括一界定一通道的管壁的第二光波導元件連接於該第一光波導元件的第二端面；(b)利用毛細現象將一液態的填充體填入該通道的部分區域；及(c)硬化該填充體而成為一與該第二端面及該管壁共同界定一空腔的填充體。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之高靈敏光干涉儀的製作方法，其中，該步驟(a)是利用熔接的方式連接該第一光波導元件與該第二光波導元件。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之高靈敏光干涉儀的製作方法，其中，該步驟(c)是利用照射紫外光的方式硬化該填充體而成為該填充體。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之高靈敏光干涉儀的製作方法，其中，該步驟(a)的第一光波導元件是單模光纖，該第二光波導元件是中空光纖，該步驟(c)的填充體是高分子聚合物，且該填充體的熱膨脹係數大於該管壁的熱膨脹係數。