TWI386695B - 光學纖維環境感測器、光學波導環境感測器，及製造光學波導環境感測器之方法 - Google Patents

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Description

光學纖維環境感測器、光學波導環境感測器，及製造光學波導環境感測器之方法
本發明大致上是關於光學波導環境感測器，及其製造方法，特別是關於光子頻帶間隙纖維形式的這類感測器，具有拉伸的側邊開口可以將中空心蕊暴露到周圍環境。
含有中空心蕊之光纖形式的環境感測器在先前技術中為大家所熟知。雖然有些中空心蕊纖維透過特定波長範圍的全反射來傳導光線；但是用於這類感測器之纖維的中空心蕊通常是使用圍繞中空心蕊的光子頻帶間隙結構來傳導光線，此光子頻帶間隙的"禁止頻率範圍"對應傳送過纖維之光線的波長。這類感測器可以用來感測周圍環境中特定氣體或液體的存在例如周圍空氣中二氧化碳的低限量，可以作為火災或其他不安全情況的指標。在一個先前技術的設計中，在纖維的一或兩端將光纖的中空心蕊暴露到周圍大氣，讓周圍大氣的氣體連續流入纖維的中空心蕊中。在運作上，將波長會被欲偵測之特定氣體組成所吸收的雷射光線連續傳導過纖維的中空心蕊。當這類氣體從周圍大氣被引進纖維的開口端時，它會開始流過中空心蕊，而傳送過心蕊之雷射光線的振幅會減小，因為光線被氣體吸收掉了。在稍早提到的二氧化碳例子中，光線振幅的減小如果低於某個低限就可以用來產生信號，觸發火災警報電路。
這類環境感測器可以用來偵測大氣中相當多種不同的氣體組成，有機和無機粒子或氣滴，而且當纖維浸在液體中時，甚至可以偵測不同的液體組成。因此這類感測器不只可以作為燃燒產物或污染或潛在有毒物質的偵測器，而且可以在工業製造處理中作為控制或監測感測器，如果此處理需要控制特定氣體或液體組成的話。
很不幸的，這類先前技術的光纖環境感測器有一些缺 點。如前面所指出的，跟周圍環境的接近只發生在纖維的一或兩端，只有中空部分相當小的直徑暴露到外部大氣。這種跟感測器纖維之中空心蕊有限的接近，使得這類感測器要花相當長的回應時間，才能偵測到特定"目標"氣體或液體。例如，對一個長度21公分的已知光纖感測器來說，從目標氣體或液體開始被引進纖維之中空心蕊的時間算起需要2分鐘的回應時間，纖維感測器才會產生信號以顯示目標氣體或液體的存在。這麼長的回應時間大大限制了這類感測器在很多應用中的有效性，例如在化學製造應用中，2分鐘的延遲就可能對昂貴組成的製造運轉造成無法挽救的毀壞。
到目前為止，還沒有發現令人滿意的方式來縮短這類感測器的回應時間。當然，光纖感測器的長度可以縮短，但是這樣的縮短不只會降低感測器的敏感度(因為敏感度跟中空心蕊的總體積成正比)，而且也可能容易產生偽陽性(因為在1公分的煙霧感測器周圍，單捲香煙的煙霧就可以將它觸發)。
另外一個縮短回應時間的解決方式，可以讓纖維中空心蕊的直徑加大。這種解決方式可以由中空心蕊直徑在1.0毫米等級的毛細管來執行，透過掠入射散射而不是使用全反射或光子頻帶間隙來傳導光線。然而，這種毛細管光學波導有超過1分貝/公尺(dB/m)的高光線損耗，對於這類感測器的長度造成實際的限制，而且也相當硬且不可彎曲，使它們無法安裝在空間有限，而必須將感測器急遽地彎曲或緊密地捲繞的情況中。為了降低這類毛細管設計的損耗，管的中空內部可能塗上另幾層折射率相當不同的物質以產生布勒格(Bragg)反射器，或者塗上單層折射率小於空氣的物質。然而，這種塗層毛細管，比拉製光纖的製造費用要貴很多。此外，損耗仍然大於0.5dB/m，而且由於硬且不可 彎曲所造成的問題仍然存在。此外，很多光學感測作業依賴非線性的光學效應(例如拉曼光譜)，其敏感度跟光學信號的強度(單位功率)成正比。較大的光學心蕊會使得心蕊中光線的強度降低，其降低因數跟心蕊直徑的平方成正比，而裝置的敏感度也會降低相同的因數。
最後，也有人提出使用雷射在纖維中鑽多個圓形側孔，讓中空心蕊更加地暴露到周圍大氣。雖然這樣的解決方式可以縮短纖維感測器的回應時間，但是所產生的回應時間仍然是令人無法接受地久，因為對中空心蕊的接近仍然相當有限。此外，在這種先前技術中還有令人擔心的事，這些徑向－定位的側邊開口會造成"光線裂縫"，在所產生的損耗變得非常高無法接受之前，限制了在這類纖維中可以製造之側邊開口的數目。
很清楚地，我們需要的是光學波導環境感測器，可以維持低損耗，具有可彎曲性，而且光纖的製造很容易，但是只要依賴相當小數目的末端或側邊孔，將纖維的中空心蕊暴露到周圍環境就可以大大降低以纖維－為主之環境感測器的回應時間。
大致來說，本發明是光學波導環境感測器，可以克服前面所提之先前技術的缺點。對這方面，本發明的環境感測器包含包層，其中空心蕊部分沿著或平行於此包層的縱向中心軸延伸，透過波導定義光線傳送路徑；而在包層中至少有一個拉伸的側邊開口平行於縱向中心軸延伸，將中空核心部分的全部或大部分側邊直接暴露到周圍環境，其中空心心蕊部分和拉伸開口支援至少一個受束光模。此光學波導最好是包含光子頻帶間隙結構的光纖，而光子頻帶間隙結構又包住中空心蕊部分。此光子頻帶間隙結構可以假定是包含另外幾層折射率相當不同之物質的布勒格反射器形 式，或是折射率會作週期性變動的微結構物質形式。在運作上，當周圍環境的氣體或液體充滿包層的中空心蕊部分和拉伸開口時，中空心蕊部分和拉伸開口會分別形成光學脊狀波導感測器的脊狀物和平板，將光模束縛在中空心蕊部分。
拉伸開口最好可以延伸到波導的大部分或整個長度，以便加大中空心蕊部分側邊對周圍環境的暴露以減少偵測的回應時間，最好到幾秒或更少。此光學波導可以有多個這樣的拉伸開口，每一個都用來將中空心蕊部分的一側暴露到周圍環境，以便進一步降低回應時間。為了消除光學雙折射性，這多個拉伸開口可以繞著包層對稱配置。
拉伸開口可以採用具有平行側壁的縫隙狀凹槽形式。這種縫隙狀開口可以只從包層的一側延伸到中空心蕊部分，或者完全穿過包層來暴露中空心蕊部分的兩側。或者，加長開口可以由除去包層的楔形區段來形成，使得從橫切面來看此波導時，開口的側壁彼此成一個角度配置。最後，加長開口也可以由除去包層的平邊區段來形成，使拉伸開口的側壁共面，當從橫切面來看時，此光纖感測器具有"D"形截面。當拉伸開口是由最後一種方式來形成時，此光纖最好繞著一個半徑彎曲成螺旋結構，讓"D"形截面的平坦邊在此彎曲的內部以便降低所產生之纖維的光線損耗，因為傳導過所產生之脊狀波導的光模受到這種中空心蕊部分開口結構的束縛比較弱。
本發明的光纖感測器也可以有多個中空心蕊，這些空心心蕊最好彼此光耦合。例如，在這樣的實施例中，其中一個或所有中空心蕊部分可以透過一或多個拉伸開口暴露到周圍環境。例如，在這種感測器中，其中一個開孔可以跟環境隔離以作為參考光學路徑，而其他心蕊可以暴露到環境，如此產生干涉感測器，其中在參考光學路徑中的光線會干 涉在感測光學路徑中的光線，而產生跟目標氣體或液體種類之濃度相關的信號。這種根據目前發明一些實施例的差動或干涉感測器可以除去其他環境改變的效應例如溫度和壓力。
最後，本發明也涵蓋了製造光學波導環境感測器的方法，其包括底下步驟：從光線傳導物質中形成拉伸光學波導，包含由光子頻帶間隙結構所圍繞的中空心蕊部分；以及在此波導側邊形成拉伸開口，平行於此波導的縱軸將中空核心部分暴露到周圍環境。形成拉伸光學波導的步驟，最好是由從光線傳導物質中，抽拉製造出中空光子頻帶間隙纖維以實施；而形成拉伸開口的步驟最好由在纖維側壁化學蝕刻出此開口來實施。當使用這種化學蝕刻來形成拉伸開口時，可以將玻璃組成配備在此光纖的側邊，因為玻璃擁有較高的蝕刻速率可以協助在纖維側壁化學蝕刻開口的步驟。或者，可以在光纖側壁雷射加工(例如鑽)此開口以形成拉伸開口。這裡所使用的"雷射加工"一詞包含但不局限於各種形式的雷射輔助材料移除，材料重分佈和材料改質。
現在參考圖1，其中在所有圖形中相似的數字表明相似的元件。本發明的光學波導感測器1最好包含具有晶格－型態之微結構7的光子頻帶間隙纖維3，在後面我們將它稱為包層7。包層7包含折射率不同的不同光傳導物質圖樣，例如位在纖維3中心的矽石氣孔8(如圖2A－4F中所示)圖樣。或者，包層7可以是兩種不同之固體光線傳導物質的交替圖樣，例如兩種不同種類的玻璃，或是一種玻璃和一種塑膠材料。最後，包層7可以由這類材料的交替層來形成，只要這兩種材料之間折射率的差異可以有效地產生一個"禁止區"將至少一個光模束縛在中空心蕊5中。包層7接著由外套9包圍。外套9包含拉伸側邊開口11，在這個例子中，是指縫 隙13大體上延伸到纖維3的整個長度。此縫隙13相對於纖維3的圓形截面呈徑向定位，將中空心蕊5暴露到周圍環境，在這個例子中是指周圍的大氣。心蕊5和縫隙13一起形成波導，用來引導由此聯合光學結構所支援的光模。心蕊5是縫隙13的局部放大，使得至少支援一個光模，其能量中有相當大的部分局部化到此放大區域中。此模的能量中要有大於50%，最好是大於75%在此放大區域中。在運作上，允許周圍氣體15連續流過縫隙13，進入纖維的空心心蕊5。光源17(例如雷射光)被光耦合到纖維3的一端，將光束19投射穿過中空心蕊5。光源17可以包括準單光雷射光源，多雷射光源(同向傳播或反向傳播)，寬帶光源(例如鎢絲鹵素燈，輝光棒等等)，發光二極體，或任何其他用在感測應用中的來源。中空心蕊5和徑向定位縫隙13聯合起來支援至少一個光模，更明確地說分別作為光學脊狀波導的脊狀物和平板，用來支援至少一個光模的傳播，其中超過一半的光功率局限在由中空心蕊5，以及直接鄰接中空心蕊5之徑向定位縫隙13的部分所界定出的區域。在這個情況中，平板並不結束在含有拉伸側邊開口11末端的外套9外表面，而是繼續到周圍大氣中，如此形成"半無限"的平板。光束19(例如雷射光)之中心頻率的選擇要使得此光束能夠讓周圍空氣15中的目標氣體，液體或粒子物質加以吸收或改變。例如，如果光學波導感測器是用來作為火災偵測器，那麼光束19的中心頻率可以選擇為能夠讓二氣化碳吸收。光線感測器21－可以是光電晶體接收離開光子頻帶間隙纖維3另一端的雷射光束19，並且產生電子信號，此信號的振幅決定於離開光子頻帶間隙纖維3末端之光束19的振幅。光線感測器21接著連接到數位處理器電路23，用來連續監視由光線感測器21所產生之電子信號的振幅。處理器電路23經過程式化，當由光線感測器21所接收之信號的振幅低於選定的低限時， 警報電路(沒有顯示)就會被觸發。
或者，還有更多精心製作的偵測方法，可以應用來增進敏感度，選擇性，或增加功能到感測器中。這些方案可以包括非限制性之差動偵測(包含多波長或多光學路徑)，非線性光譜(包含拉曼(Raman)，相干反－衝擊拉曼散射，布裡淵(Brillouin)散射)，干涉偵測，極化－為主偵測，模態偵測，分散式感測(使用非線性效應，散射或光時域反射)，多波導偵測，或這些方案的組合。
因為光子頻帶間隙纖維3中的拉伸側邊開口11讓周圍氣體15可以幾乎立即地接近纖維3的中空心蕊5，因此光學波導感測器1的回應時間幾乎是立即的。同時，因為由中空心蕊5和縫隙13所形成之光學脊狀波導的損耗相當低，因此纖維3可以在10公尺的等級或更長連帶地造成高敏感度，而且讓纖維3可以廣泛地取樣特定區域中的周圍氣體，如此降低偽陽性的機會，而增進感測器1的整體可靠性。
圖2A－2G是本發明之光子頻帶間隙纖維感測器3不同實施例的側視截面圖，其中中空心蕊5在包層7形成之微結構的中心，而拉伸側邊開口11是沿著晶格x－軸的半徑，半弦，直徑和弦縫隙的形式。
在圖2G中，光子頻帶間隙纖維3的軸沿著它的長度，而橫向截面垂直於此軸。縫隙13的第一軸跟纖維的軸共線，而第二軸或是橫軸垂直於第一軸，從心蕊5延伸到拉伸側邊開口11。由於晶格的存在，縫隙13可能有變動的寬度12w(r)垂直於它的徑向尺寸r。因為在晶格中有氣孔8，因此圖2A－2G的情況就是如此。縫隙的寬度12由最小橫向寬度來決定，垂直於徑向尺寸－也就是橫軸－來測量。局部寬度最小值的位置可以由計算縫隙寬度相對於徑向尺寸的微分，使得dw(r)/dr＝0，且寬度相對於r的二次微分是正值以做決定。心蕊5(其重心被視為r＝0)是由週期晶格的空隙來提 供，存在沒有縫隙13的地方。因為心蕊5和縫隙13至少有部分重疊，我們定義心蕊5的範圍包含重疊區域，而延伸到縫隙13的第一個寬度最小值14(從r＝0算起)。當有多個縫隙例如圖2C中的縫隙28a和縫隙28b時，心蕊5延伸到沿著每個縫隙的第一個寬度最小值。中空心蕊5通常具有不規則形狀，可以由最小橫向尺寸D，重心位置，封閉橫向面積A和周長p來描述。
在圖2A顯示的纖維感測器3中，包層7是由氣孔8晶格形成。此晶格結構和材料的選擇使得包層7的光子頻帶間隙涵蓋目標波長範圍。結構的刻度是由間距Λ表示，定義成週期結構的單位晶胞之間的間隔。在圖2A中，間距由鄰接氣孔的中心之間的間隔來計算。光子頻帶間隙的波長範圍可以由改變間距Λ，折射率n，晶格類型，和晶格單位晶胞的設計(包含形狀)來改變。纖維感測器3可以被設計成在紫外線(100－400奈米)到遠紅外線(20微米)的光學頻譜範圍下運作。雖然單一玻璃無法涵蓋這麼寬廣的波長範圍而不吸收，但是仍有一些玻璃在此頻譜的每部分都有低的光學吸收。這些玻璃的例子有熔解矽石，矽酸鹽，硼矽酸鹽，磷酸鹽，鍺酸鹽，硫屬化物，離子玻璃(例如鹵化物，硝酸鹽，硫酸鹽，和碳酸鹽)以及玻璃陶瓷。此外，光學聚合物包括丙烯酸酯，像聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和過氟聚合物也提供足夠的光學透射性，可以用在本發明的實施例中。
運作的波長跟晶格結構的間距Λ有關。對於矽石中氣孔晶格來說，頻帶間隙的中心波長在小的空氣填充分數(空隙體積對實體體積的比例)下，是λ＝Λ，在大的空氣填充分數下是λ＝3.5Λ。舉例來說，在近紅外線(800－2000奈米)下運作的裝置，晶格間距可以設計在Λ＝800－7000奈米的範圍內。心蕊5的尺寸D通常在D＝0.7Λ和50Λ之間，而縫隙13的最小寬度大於0.5Λ。此結構包含多列間距為Λ的孔，有 外套9來提供強度。最終纖維或波導的整體直徑，在50微米和500微米之間。
在圖2A顯示的纖維感測器3中，縫隙13是單側縫隙，具有平行的對立側壁。縫隙13最好延伸纖維感測器3的整個長度以便增加中空心蕊5對周圍大氣的暴露。縫隙13相對於纖維感測器3的圓形截面呈徑向定位。這種單側縫隙13的優點是讓傳送過中空心蕊5，波長在包層7"禁止區"內之雷射光束的損耗相當低，同時縫隙13的徑向定位也降低了進入中空心蕊5之外部氣體或液體的流體流動阻力。而捲繞此纖維感測器，使得縫隙13面向最終捲盤或螺旋的內直徑，可以進一步降低一些損耗，原因在後面我們討論本發明的圖10實施例時將會提及。在圖2B顯示的纖維感測器25中也使用單側縫隙26。然而，縫隙26偏離中空心蕊5的中心以半弦定位跟中空心蕊5的底部交叉，如圖所示以減少由於傳導光的"心蕊"和"縫隙"模之間的重疊可能造成的損耗。
在圖2C和2D顯示的纖維感測器27和29中，使用雙側直徑縫隙28a,b和30a,b。這種雙側縫隙28a,b和30a,b的優點是，跟圖2A和2B所討論的單側縫隙11和26比較起來可以降低流體流動阻力，連帶地增加敏感度，且降低回應時間。然而，這些優點也伴隨著傳導過纖維感測器27和29的光線損耗稍微大一點。而且，雙側縫隙28a,b和30a,b不能延伸到纖維感測器3的整個長度，因為它需要週期性中斷縫隙，使得纖維感測器27和29的兩半可以透過外套9的週期腹板而彼此相連。纖維感測器27之直徑縫隙28a,b的中心定位增加了穿過中空心蕊5的流體流動；而纖維感測器29之弦縫隙30a,30b的偏心定位稍微降低了流體流動，但是卻提供了降低重疊模的優點，如同我們針對圖2B的纖維感測器25所討論的。
圖2E和2F顯示的纖維感測器32和36跟圖2B和2D所描述 的縫隙定位相同，但是分別有較寬的縫隙34和37a,b，以便增進流體流動，但是有可能會增加傳送過其中之光學信號的衰減。
圖3A－F顯示本發明之纖維感測器的另外六個實施例38,42,45,48,52和55，其結構跟圖2A－F之實施例3,25,27,29,32和36所描述的相同，唯一的差別是這些實施例的縫隙40,44,47a,b,50a,b,53和57a,b沿著包層7晶格的y軸延伸。縫隙相對於包層7晶格的定位會影響圖3A－D的實施例中光學信號的衰減量。參考圖3A，注意到包層7的孔如何平行於水平軸x排列成行，但是跟垂直軸y交錯。因此，當纖維感測器3的縫隙40沿著垂直軸y被切開時，在縫隙40跟鄰接孔8的對立邊交叉的地方會形成小的光學共振腔41。這些共振腔41的存在會改變縫隙模，使得心蕊模和縫隙模之間的重疊降低。這會造成較低的衰減，因為沿著纖維感測器3的結構擾動使得光線傳導模的耦合降低。這個相同的原理也可以應用到圖3B－D的實施例，但是並不應用到圖3E－F的實施例，因為縫隙53和57a,b較寬的寬度，有效地將空腔54打開到某個程度，使它們不再能夠捕獲而更強烈地束縛縫隙模。然而，縫隙53和57a,b的垂直定位會以其他方式影響光學衰減。
圖4A－C顯示各向同性之纖維感測器的實施例60,62和65，相對地前面討論的實施例都是雙折射。前面討論之實施例的雙折射特性是結構中少於三重(three－fold)對稱的結果。這種雙折射的結果是具有不同電場極化的基本模會有不同的傳播常數，因此以不同的相速度沿著波導行進將入射光束分裂成兩個垂直的極化光束，其相對強度決定於入射光束相對於纖維結構的極化。雙折射會干擾某些依賴受控極化的光學偵測技術。結果，沒有這類雙折射的纖維感測器較適合這些應用。圖4A－C的實施例消除了雙折射 ，在其中提供三個縫隙61a－c,63a－c和66a－c，彼此分開120度均勻配置，並且相對於中空心蕊5和66d的中心，以及包層7的六角形截面對稱定位。這種設計產生避免雙折射所需要之大於二重的旋轉對稱。跟圖2A到圖4B顯示之實施例的多模纖維感測器相反，實施例4C是單模纖維感測器，由於它的中空心蕊66d的截面小很多。雖然發明者預期本發明的大部分應用會需要多模傳送能力，然而萬一需要的話，圖4C的實施例顯示本發明如何應用到單模傳送。如果一個裝置只有單一光線模(有一或兩個可能的極化狀態)，其中大部分的能量都在波導的脊狀物部分，那麼此裝置就被視為單模。在平板中可能存在其他模，但是它們並不重要，因為它們跟脊區域有小重疊。圖4D和4E顯示本發明的實施例67,70，其中中空心蕊69,72被放置在包層7的一側以便協助雙側縫隙68a,68b和71a,71b的加工。心蕊69,72相對於包層7的這種放置，降低了由化學蝕刻或雷射加工穿透以形成縫隙68a,68b和71a,71b的孔8數目。在本發明的實施例中，中空心蕊5位於包層7的中心，比較難精準地聚焦雷射光束，因為圍繞中空心蕊的孔8會分散光束。結果，儘管由於在核心/包層介面缺乏晶格孔8，因而在這個區域會缺乏"禁止區"，因此可能會造成一些損耗，但是我們預期任何這樣的損耗都可以由圍繞中空心蕊69,72之較小數目的晶格孔8降低分散以加以抵銷。最後，圖4F顯示了本發明實施例的先驅74，其中中空心蕊75位於包層7的側邊以協助製造。
圖5A－5C是基本光模形狀的電腦模擬，分別針對具有圖2D之縫隙結構的纖維感測器，其具有狹窄水平縫隙的光子頻帶間隙纖維，以及具有圖3C之縫隙結構的纖維感測器。在這些圖形中，經由定義傳送模尖峰強度10%,30%,50%,70%和90%的光學強度分佈以顯示它的各別模。雖然這些模擬指出由於縫隙的存在而造成一些損耗，但是它們更普遍地 指出由中空心蕊和縫隙所形成的脊狀物狀波導可以有效地支援一種光模，即使包層7沒有完全圍繞中空心蕊5。
圖6A－6D顯示本發明可以用在液體環境71中的實施例3,27,80和82。實施例3和27的特定結構已經討論過。然而在液體環境中，這些實施例3,27無法透過前面提到的"禁止區"現象來傳導光線，因為包層7在固態玻璃基體10中構成低折射率空隙的圖樣，該空隙可以為氣孔8。取而代之的，纖維感測器實施例3,27透過全反射將光線傳導過中空心蕊5，跟傳統光纖傳導光線的方式非常相同。更準確地說，此導光機制是業界所熟悉之實心光子晶體纖維中所使用的修正全反射。對照之下，實施例80和82的包層7是由高折射率空隙83圖樣來形成(可以由高折射率玻璃，液體或塑膠來形成)可以有效地產生"禁止區"，讓纖維感測器80和82以光子頻帶間隙纖維來傳導光線。再次地，因為雙側縫隙28a,28b對單側縫隙13的配置差異，纖維感測器6B和6D相對於纖維感測器6A和6C有較好的回應時間和敏感度。在此應用中，低折射率意指著包層結構(孔加上基體)最低能量模的有效折射率低於心蕊區域材料的折射率。同樣的，高就定義成包層結構(孔加上基體)最低能量模的有效折射率，高於心蕊區域材料的折射率。不管心蕊折射率高於或低於包層最低能量模的有效折射率，當光場的波長改變時結構也會改變。
圖7A和7B顯示本發明其他的實施例85,88。圖7A的實施例85是楔形的單側縫隙86，由聚焦雷射光束形成。縫隙86的不平行側壁不會顯著地影響所產生之纖維感測器的光學效能。圖7B的實施例88可以是本發明之纖維感測器的先驅，或是本發明的另一個實施例。實施例88包含雙側內縫隙89a,89b，沒有完全穿透纖維感測器的側邊。這類內縫隙89a,89b可以在預型件階段製造，而且如果縫隙89a,89b內 的空氣壓力維持在某個水平的話，那麼在拉製處理期間縫隙會保留在纖維中。當作為先驅時，實施例88可以在縫隙89a,89b的外徑末端到纖維側邊之間雷射加工一段短距離，將縫隙89a,89b打開到外部環境。當作為此項發明另一個實施例時，纖維的末端可以打開讓周圍氣體流進縫隙89a,89b，而從其中進入中空心蕊5。
圖7C－7F顯示本發明之纖維感測器的四個不同先驅。在圖7C顯示的先驅90中，雙側縫隙92a,92b既沒有穿透空心心蕊5，也沒有穿透纖維的側壁。然而，將隔離中空心蕊5和縫隙92a,92b，以及縫隙92a,92b和纖維側壁之間的玻璃薄腹板經過雷射加工或蝕刻可以很容易地將這樣的先驅轉變成本發明的纖維感測器。在圖7D的實施例94中，纖維側壁的區段96是由玻璃組成製成，這比使用玻璃來形成包層的比重還要更容易蝕刻或雷射加工。這種設計很容易在製造纖維預型件的階段來製造。區段96延伸到包層7的邊緣如圖所示。雖然顯示的心蕊5位在包層7的中心，但是此實施例可以經過修改，使得中空心蕊5放置在鄰接玻璃區段96之晶格的一側以便減少將心蕊5暴露到周圍環境所需要的蝕刻或加工量。圖7E的實施例98包含從包層7徑向延伸的一排孔100以協助雷射加工或蝕刻由纖維側壁到中空心蕊5的縫隙。最後，在圖7F的實施例102中，外套9側壁的區段104被除去，再次地用來協助雷射加工或蝕刻由纖維側壁到中空心蕊5的縫隙。
圖8A和8B顯示預型件106,110可以很有利地用來製造具有相同截面形狀之本發明的纖維感測器。在圖8A的預型件中，在纖維感測器3預型件的周圍配備了外加的管狀包層108，在相對於縫隙13的一側熔接到纖維3的包層中。在從預型件106拉製纖維期間，中空區域107內的氣體壓力維持在選定的水平，使得預型件106的縫隙13不會瓦解。以這種 方式，將縫隙13保留在所產生的纖維中，而不需要再使用雷射加工或化學蝕刻。在最終纖維中，可以在外加的管狀包層108中切出縫隙(沒有顯示)或其他開口，以便將纖維縫隙13暴露到周圍大氣中。在圖8B的預型件中，外加的管狀包層112被熔接到纖維預型件45的側邊，跟雙側縫隙28a,28b對立。在從預型件110拉製纖維期間，中空區域113a,113b內的氣體壓力維持在選定的水平，使得縫隙28a,28b不會瓦解。在拉製步驟完成之後，在外加的管狀包層112側邊，切出縫隙或其他開口114以允許周圍大氣進入縫隙28a,28b，並進入纖維的中空心蕊5。再次地，這種設計的優點是消除了雷射加工或蝕刻縫隙28a,28b的需要。雖然實施例106,110都需要在上包層108,112切割或蝕刻縫隙或其他開口，但是這種縫隙或開口不需要穿入中空心蕊中，因此跟穿透中空心蕊5到微結構包層7製造縫隙的困難度比較起來，製作上要容易很多。此外，當上包層沒有開口時，這樣的設計會有較快的回應時間，因為包含在空隙107或空隙113a和113b中的體積較大，可以增加穿過纖維的軸向流體流動。
圖8C－8F顯示纖維感測器的實施例116,120,125和130，含有兩個中空心蕊117a,117b；121a,121b；126a,126b和131a,131b。由於提供了兩個或更多不同的脊狀光學波導元件以傳導可以作比較的不同模，因此具有兩個或更多中空心蕊可以提供一些潛在的有用光學效應。例如，比較傳導過心蕊117a,117b和121a,121b之模的相對強度可以用來決定流過纖維感測器116,120側邊之目標氣體或其他液體的流動方向。在圖8E的實施例125中，分別暴露於心蕊126a,126b中，並且跟周圍環境隔絕之模的相對強度可以拿來作比較。因此，穿過心蕊126a之模強度的測量可以作為透過縫隙128暴露到周圍環境之心蕊126a的基線。在圖8F的實施例130中，分別在心蕊131a,131b中暴露到周圍環 境不同側邊之模的相對強度可以拿來作比較，因為縫隙133a,133b將它們各別的心蕊暴露到在纖維感測器相對側的環境。
圖9A－9C顯示纖維感測器的實施例135,142和145，其中纖維的平邊區段被除去，將一或多個中空心蕊137,139；143a,143b和146暴露到周圍環境，使得每個纖維都有"D"形截面。在實施例135中提供了未暴露的心蕊137，可以用來為傳導過暴露中空心蕊139的模建立比較基線，跟圖8E所描述的方式相同。在圖9B的實施例中，配備了兩個暴露核心143a,143b，可以如同圖8C的實施例所描述的方式來使用。雖然所有實施例135,142和145都有幾乎立即之回應時間的優點，但是由除去這些纖維感測器外壁之平邊區段，所提供的無限寬縫隙，很不幸的會降低纖維施加在模上的耦合量，因此會加重信號的損耗。然而，此信號損耗的大部分可以經由以圖10所表示的方式將這些纖維感測器135,142和145捲繞來加以彌補，其中D形截面的平坦邊155a面對捲盤或螺旋157的內部，而圓形邊155b面對捲盤或螺旋157的外部。經由將更多光線路徑偏向中空心蕊，而更少偏向定義波導平板的平坦邊，這種彎曲可以更為緊密地將光學模束縛在由中空心蕊所定義的波導脊部。然而，為了讓這種彎曲有效，彎曲半徑必須低於某個數值，以便顯著地增進光模的束縛。
圖11A－11C是彎曲半徑分別為1000公釐，10公釐和5公釐的情況下，在基本模的強度截面10%,30%,50%,70%和90%處所得到的電腦模擬光學分佈大體上顯示模束縛如何隨著彎曲半徑的降低而改進。雖然圖11A－11C的結構160是由不連續的三角形元素161構成，但是這樣的結構跟具有非常高之空氣－填充分數的真實結構相當逼近。這些模擬指出，相當大的損耗量可以經由以彎曲半徑至少大約10公釐捲繞這 個D截面纖維來加以彌補，更好的是彎曲半徑5公釐。當然彎曲半徑是受到纖維感測器直徑的限制，因為當彎曲到低於某個臨界半徑時，較大直徑的纖維容易斷裂。因此，纖維直徑在50－150微米之間一般是較好的，而纖維直徑在大約70－80微米之間又更好。這個直徑範圍的選擇可以從底下的分析得到結果。
最小機械彎曲半徑－在特定應用中由彎曲引致的應力會在比纖維可接受壽命還短的時間內造成故障的低限彎曲半徑。當纖維彎曲時，彎曲的外部會受到張應力，而內部會受到壓應力。此彎曲應力可以計算成：σ彎曲 ＝E(rf /R)其中：E＝楊氏模數＝10440千磅/平方吋(72Gpa)rf ＝纖維半徑R＝彎曲半徑。
在這樣的應力下，故障時間可以使用簡單的冪次律模型大略計算出：Tf ＝(σp /σa )m 其中：Tf ＝故障的時間(秒)σp ＝保證試驗應力σa ＝作用應力＝彎曲應力或σ彎曲m＝疲勞因數(對標準纖維通常是20)。
在這個應用的纖維中，因為複雜的表面幾何，我們預期m會顯著降低。改進故障時間的一個方式是降低纖維半徑rf，以降低彎曲應力。
圖11A－11C中使用的結構160是多模心蕊162的例子。 對於一些應用來說(包括干涉偵測)，在脊狀波導的中空核心內有單模傳播可能是有利的。然而，為了達到最快的回應時間和高敏感度，支援很多光模的大心蕊(如圖11A所示)可能是有利的。
圖12A和12B顯示本發明之纖維感測器的光模，相對於傳統光子頻帶間隙纖維的模。如前面所指出的，在光子頻帶間隙纖維側壁的一或多個縫隙提供脊狀光子波導的平板。跟傳統光子頻帶間隙纖維的模作比較，此中空平板接著引進很多新的平板模B到頻帶間隙中，如同圖12A和12B的比較所能看出的。然而，圖12B也顯示這些模沒有跨越心蕊導光模C，這表示了在新模和心蕊導光模式C之間的耦合是極小的，不會顯著地衰減或扭曲由本發明之纖維感測器所產生的任何信號。
最後，圖13A－13F顯示本發明相同實施例的不同導引光模。圖13A和13B只顯示在心蕊中的導引光模，而圖13C和13D顯示在心蕊和平板中的導引光模。圖13E和13F顯示只有在平板中的導引光模。
除了圖13A－13F顯示的光模之外，還有其他光模沿著結構的內表面邊緣存在。這些其他的模被稱為表面模，只有在選擇適當的表面界限時才會存在。在圖13A中，我們可以看到心蕊可以從週期晶格切出完美的圓形材料形成。由於現存著定義此結構的氣孔，因此這種材料的移除留下了有溝槽的形狀。同樣的，平板可以由週期晶格切出長方形縫隙來形成留下了有溝槽的空氣通道。前面提到的圓形和長方形相對於晶格週期性的相對位置界定出心蕊和平板區域的表面界限。這些區域的表面界限可以是不同的，使得表面模只存在脊狀波導的部分。表面模跟結構的表面有加大的相互作用，因此例如將脊狀波導表面塗上材料以透過化學結合來偵測目標物種的存在可能是有利的。
圖1－13的實施例可以使用纖維－拉製處理，擠壓處理，直接加工(例如鑽孔或研磨)，或是在半導體裝置製造中所使用的平面處理技術。感測器3的設計可以修改來適應處理需求，同時維持本發明的優點。在平面幾何中，裝置可以 被製成預定的最終尺度。在纖維幾何中，結構可以被製成巨觀預型件，然後將預型件的尺寸降低以獲得想要的尺度以達到本發明所需要的特性。
雖然我們已經參考一些特定例子來描述本發明，但是熟悉此技術的人將瞭解本發明可以有很多變動，修改和增加。所有這些變動，修改和增加都應該涵蓋在此項發明內，其只受到後面的申請專利範圍及其同等物的限制。
1‧‧‧光學波導感測器
3‧‧‧纖維
5‧‧‧中空心蕊
7‧‧‧包層
8‧‧‧氣孔
9‧‧‧外套
10‧‧‧固態玻璃基體
11‧‧‧拉伸側邊開口
12‧‧‧寬度
14‧‧‧寬度最小值
15‧‧‧周圍氣體
17‧‧‧光源
19‧‧‧光束
21‧‧‧光線感測器
23‧‧‧數位處理器電路
41‧‧‧共振腔
54‧‧‧空腔
71‧‧‧液體環境
83‧‧‧高折射率空隙
100‧‧‧孔
155a‧‧‧平坦邊
157‧‧‧捲盤
155b‧‧‧圓形邊
160‧‧‧結構
161‧‧‧三角形元素
3,25,27,29,32,36,38,42,45,48,52,55,60,62,65,67,70,80,82,85,88,116,120,125,130,135,142,145‧‧‧纖維感測器
5,66d,69,72,75,117a,117b,121a,121b,126a,126b,131a,131b,137,139,143a,143b,146,162‧‧‧中空心蕊
13,26,28a,28b,30a,30b,34,37a,37b,40,44,47a,47b,50a,50b,53,57a,57b,61a－c,63a－c,66a－c,68a,68b,71a,71b,86,89a,89b,92a,92b,114,128,133a,133b‧‧‧縫隙
74,90,94,98,102‧‧‧先驅
96,104‧‧‧區段
107,113a,113b‧‧‧空隙
108,112‧‧‧包層
106,110‧‧‧預型件
圖1是本發明之光學環境感測器的透視圖，用在警報系統中。
圖2A－2G是纖維感測器不同實施例的側視截面圖，其中中空心蕊在晶格形成之微結構的中心，而拉伸側邊開口是沿著晶格x－軸的半徑，半弦，直徑和弦縫隙的形式。
圖3A－3F是纖維感測器不同實施例的側視截面圖，其中中空心蕊在晶格形成之微結構的中心，而拉伸側邊開口是沿著晶格y－軸的半徑，半弦，直徑和弦縫隙的形式。
圖4A－4C是纖維感測器不同實施例的側視截面圖，其中中空心蕊在晶格形成之微結構的中心，而拉伸側邊開口是三個半徑縫隙的形式，彼此分開120度均勻配置，並且相對於心蕊對稱放置以消除雙折射。
圖4D和4E是纖維感測器不同實施例的側視截面圖，其中中空心蕊分別是六角形和三角形，不在晶格形成之微結構的中心，而拉伸側邊開口是弦縫隙的形式。
圖4F是先驅纖維的側視截面圖，含有偏心中空心蕊，用來協助雷射加工或化學蝕刻到本發明的纖維感測器中。
圖5A－5C分別針對圖2D的實施例，含有狹窄水平縫隙的光子頻帶間隙纖維，和圖3C的實施例，顯示在計算出之基本光模10%,30%,50%,70%和90%處的光學強度分佈，用來大致上顯示本發明不同實施例所提供的模束縛量。
圖6A－6D是用來感測周圍液體之纖維感測器不同實施例的側視截面圖，其中拉伸側邊開口採用半徑或直徑縫隙的形式，而晶格是由氣孔樣式，或是高折射率玻璃，液體或塑膠來形成。
圖7A是纖維感測器一個實施例的側視截面圖，其結構類似圖2A的實施例，但是其中的拉伸側邊開口採用徑向的楔形縫隙形式。
圖7B－7F是不同之先驅纖維設計的側視截面圖，其特色有例如，內虛體空間，易蝕刻玻璃，和薄包層側壁以協助這些先驅纖維轉變成本發明的纖維感測器。
圖8A和8B顯示兩種不同的纖維感測器和它的預型件實施例，其中將纖維感測器包在上包層中以協助製造。
圖8C－8F是纖維感測器不同實施例的側視截面圖，在晶格內有兩個中空心蕊，這些中空心蕊的其中一或多個透過直徑或半徑縫隙暴露於周圍環境。
圖9A－9C是纖維感測器不同實施例的側視截面圖，其含有一或兩個偏心的中空心蕊，其中拉伸側邊開口採用除去包層之平邊區段的形式將一或多個中空心蕊暴露到周圍環境，使所產生的纖維具有"D"形截面。
圖10是類似圖9A－9C之纖維感測器一個實施例的簡單截面圖，差別在於此纖維只有單一的中心配置中空心蕊，且此纖維被捲繞，使它的開口邊形成此捲盤的內直徑，以便更好地將光模束縛在心蕊內。
圖11A－11C是強度分佈，分別針對彎曲半徑為1000公釐，10公釐和5公釐，顯示類似圖10結構之基本模10%,30%,50%,70%和90%處的光學分佈，用來大致上顯示模束縛如何隨著彎曲半徑的降低而改進。
圖12A和12B是頻帶間隙圖，比較不含拉伸側邊開口，因此沒有中空平板之光子頻帶間隙纖維感測器，相對於應用 本發明之光子頻帶間隙纖維感測器兩者的光模。
圖13A－13F顯示針對本發明圖12B同一個實施例的不同導光模。
1‧‧‧光學波導感測器
3‧‧‧纖維
5‧‧‧中空心蕊
7‧‧‧包層
8‧‧‧氣孔
9‧‧‧外套
11‧‧‧拉伸側邊開口
15‧‧‧周圍氣體
17‧‧‧光源
19‧‧‧光束
21‧‧‧光線感測器
23‧‧‧數位處理器電路

Claims (43)

  1. 一種光學波導環境感測器，其包含：包層，其至少部份地圍繞著中空心蕊部分，該中空心蕊部份沿著或平行於包層縱向中心軸延伸以及經由該波導界定出光線傳送路徑；以及至少一個拉伸的側邊開口於包層中，該包層平行於縱向中心軸延伸，以及中空心蕊部分暴露於周圍環境，其中中空心蕊部分以及拉伸開口共同地支持至少一個受束光模。
  2. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中該中空心蕊部分，拉伸開口以及包層形成光學脊狀波導。
  3. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中包層包含光子頻帶間隙結構，其部份地圍繞著中空心蕊部份。
  4. 依據申請專利範圍第3項之光學波導環境感測器，其中包層包含微結構材料，其折射率為週期性變化。
  5. 依據申請專利範圍第3項之光學波導環境感測器，其中包層包含具有多層不同折射率材料交替層之布勒格反射器，該交替層部份地圍繞著中空心蕊部份。
  6. 依據申請專利範圍第3項之光學波導環境感測器，其中包層包含多個拉伸開口，每一開口以垂直於縱向中心軸方向穿過包層以及使中空心蕊部分暴露於週圍環境。
  7. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中多個拉伸開口對稱地位於包層四週以消除雙折射性。
  8. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中拉伸開口為細縫溝槽，其只延伸經由包層一側至中空心蕊部分。
  9. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中拉伸開口為細縫溝槽，其延伸經由包層兩側以及經由中空心蕊部分。
  10. 依據申請專利範圍第3項之光學波導環境感測器，其中中空心蕊部分當波導由斷面橫向觀看時為位於光子頻帶間隙結構之中央。
  11. 依據申請專利範圍第3項之光學波導環境感測器，其中中空心蕊部分當波導由斷面橫向觀看時為位於偏離光子頻帶間隙結構之中央。
  12. 依據申請專利範圍第3項之光學波導環境感測器，其中光子頻帶間隙結構當波導由斷面橫向觀看時相對於包層為位於中央。
  13. 依據申請專利範圍第3項之光學波導環境感測器，其中光子頻帶間隙結構當波導由斷面橫向觀看時相對於包層為位於偏離中央。
  14. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中拉伸開口之橫向軸對準於中空心蕊部分之中央。
  15. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中拉伸開口之橫向軸對準偏離於中空心蕊部分之中央。
  16. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中拉伸開口由包層被移除楔形區段界定出，使得當波導由斷面橫向觀看時，拉伸開口之側邊壁板彼此呈一個角度放置著。
  17. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中拉伸開口由包層被移除平坦側邊區段界定出，使得當波導由斷面橫向觀看時，拉伸開口之側邊壁板為共平面。
  18. 依據申請專利範圍第17項之光學波導環境感測器，其中光學波導以一半徑加以彎曲使拉伸開口在內側以及包層在外側，使光學損耗將減小。
  19. 依據申請專利範圍第17項之光學波導環境感測器，其中光學波導以一半徑螺旋型式加以彎曲。
  20. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中包層包含多個中空心蕊部分，其彼此光學地耦合以及其中在包層中拉伸開口使至少一個中空心蕊部分暴露於週圍環境。
  21. 依據申請專利範圍第20項之光學波導環境感測器，其中包層包含多個拉伸開口，每一開口以垂直於縱向中心軸方向穿過包層以及使不同一個中空心蕊部分暴露於週圍環境。
  22. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中拉伸開口延伸於波導長度。
  23. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中包層包含多個中空心蕊部分，其彼此並不光學地耦合以及其中在包層中拉伸開口將使至少一個中空心蕊部分暴露於週圍環境。
  24. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中更進一步包含光源以及光感測器。
  25. 依據申請專利範圍第1項之光學波導環境感測器，其中該拉伸部份由包層之移除平坦側邊區段界定出。
  26. 一種光學纖維環境感測器，其包含：包層，其具有外側表面，以及光子頻帶間隙結構於其內部，其 部份地圍繞著中空心蕊部分，該中空心蕊部份沿著或平行於包層的縱向中心軸延伸以及經由該纖維界定出光學傳送路徑，以及至少一個拉伸側邊開口於包層中，該開口平行於縱向中心軸延伸以及以垂直於縱向中心軸方向穿過包層以及使中空心蕊部分暴露於週圍環境，其中中空心蕊部分以及拉伸開口共同地支持至少一個受束光模。
  27. 依據申請專利範圍第26項之光學纖維環境感測器，其中週園氣體或液體包含於中空心蕊部分內以及拉伸開口分別地形成光學脊狀波導之脊狀物以及平板，該波導傳導至少一個受束光模。
  28. 依據申請專利範圍第26項之光學纖維環境感測器，其中光子頻帶間隙結構包含微結構材料，其折射率具有週期性變化。
  29. 依據申請專利範圍第26項之光學纖維環境感測器，其中光子頻帶間隙結構為包含具有不同折射率材料交替層之布勒格反射器，該交替層至少部份地圍繞著中空心蕊部份。
  30. 依據申請專利範圍第26項之光學纖維環境感測器，其中包層包含多個拉伸開口，每一開口以垂直於縱向中心軸方向穿過包層以及使中空心蕊部分暴露於週圍環境。
  31. 依據申請專利範圍第30項之光學纖維環境感測器，其中多個拉伸開口對稱地位於包層四週以消除雙折射性。
  32. 依據申請專利範圍第26項之光學纖維環境感測器，其中拉伸開口由包層被移除非楔形區段界定出，使得當纖維由斷面橫向觀看時，拉伸開口之側邊壁板彼此呈一個角度放置著。
  33. 依據申請專利範圍第26項之光學纖維環境感測器，其中拉伸開口由包層被移除平坦側邊區段界定出，使得當纖維由斷面橫向觀看時，拉伸開口之側邊壁板為共平面。
  34. 依據申請專利範圍第33項之光學纖維環境感測器，其中光學波導以一半徑加以彎曲使拉伸開口在內側以及包層在外側，使光學損耗將減小。
  35. 依據申請專利範圍第34項之光學纖維環境感測器，其中光學波導以小於10mm半徑螺旋型式加以彎曲。
  36. 依據申請專利範圍第34項之光學纖維環境感測器，其中光學波導以小於5mm半徑螺旋型式加以彎曲。
  37. 依據申請專利範圍第26項之光學纖維環境感測器，其中包層 其有圓柱形外側表面。
  38. 依據申請專利範圍第28項之光學纖維環境感測器，其中微結構包含洞孔圖案於傳導光線材料中，以及其中當由橫向斷面觀看時中空心蕊部分之寬度為大於洞孔圖案問之間距。
  39. 一種製造光學波導環境感測器之方法，該方法包含下列步驟：由傳導光線材料形成拉伸之光學波導，其包含中空心蕊部分並由光子頻帶間隙結構圍繞著，以及形成拉伸開口於波導側邊，該開口平行於波導之縱向中心軸，其將使中空心蕊部分暴露於週圍環境。
  40. 依據申請專利範圍第39項之製造光學波導纖維環境感測器方法，其中形成拉伸光學波導之步驟包含由傳導光線材料抽拉出空氣-心蕊光子頻帶間隙纖維。
  41. 依據申請專利範圍第40項之製造光學波導環境感測器方法，其中形成拉伸開口之步驟包含在纖維側邊壁板中化學性地蝕刻開口之步驟。
  42. 依據申請專利範圍第41項之製造光學波導環境感測器方法，其中形成拉伸開口之步驟包含在纖維側邊中提供一段其有較高蝕刻率之材料，使在纖維側邊壁板中化學性地蝕刻開口之步驟變為容易。
  43. 依據申請專利範圍第40項之製造光學波導環境感測器方法，其中形成拉伸開口之步驟包含在纖維側邊中以雷射機器加工開口。
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