TWI534416B - 聲光晶體光波導及具有該聲光晶體光波導之聲波感測器 - Google Patents

聲光晶體光波導及具有該聲光晶體光波導之聲波感測器 Download PDF

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Description

聲光晶體光波導及具有該聲光晶體光波導之聲波感測器
本發明關於一種晶體光波導及一種使用晶體光波導之聲波感測器，特別關於一種利用聲光效應來進行聲波感測之聲光晶體光波導及使用該聲光晶體光波導之聲波感測器。
一般習知的聲波感測器係利用鋯酸鈦鉛(Piezoelectric, PZT)進行聲波感測，當聲波造成鋯酸鈦鉛陶瓷變形時，由於其中的電荷移動造成局部性的電荷不均勻分布，而產生一電位差，鋯酸鈦鉛聲波感測器藉由電位差進行聲波感測，惟，鋯酸鈦鉛聲波感測器可偵測之聲波頻率範圍小(約140 kHz)，且聲波方向亦受到限制。
本發明之主要目的為提供一聲光晶體光波導及使用該聲光晶體光波導之聲波感測器，該聲光晶體光波導具有一聲光晶體核心及一包覆層，該包覆層包覆該聲光晶體核心，且該包覆層之折射率與該聲光晶體核心之折射率相異，將該聲光晶體光波導應用於聲波感測器，藉由傳輸於該聲光晶體光波導之光線變化以感測聲波。
本發明之一種聲光晶體光波導，用以傳輸一光線，其包含：一聲光晶體核心及一包覆層，該包覆層包覆該聲光晶體核心，該聲光晶體核心具有一入光端及一出光端，該光線由該入光端輸入並由該出光端輸出，該光線於該聲光晶體核心以波導方式進行傳輸；當該聲光晶體光波導受到一連續聲波影響時，該聲光晶體核心中的聲光晶體密度發生週期性變化，造成該聲光晶體核心之光折射率發生週期性變化而形成光柵，使一波長之光線無法以波導方式於該聲光晶體核心進行傳輸並由該聲光晶體核心折射至聲光晶體光波導外部，使得通過該聲光晶體核心之光線光譜改變。
本發明之該聲光晶體光波導，用以應用於聲波感測器是以該聲光晶體核心外包覆該包覆層，並控制該聲光晶體核心與該包覆層互熔或離子擴散程度，形成不同直徑之聲光晶體核心，或選用不同折射率之該包覆層來控制光波導傳輸模態數量，當該連續聲波造成該聲光晶體核心之光折射率週期性變化而形成光柵時，該光線會折射至該聲光晶體光波導外部並使得傳輸於該聲光晶體光波導之該光線發生強度變化，由於特定聲波頻率會造成特定波長光線發生強度變化，因此藉由偵測通過該聲光晶體光波導的光線之光譜變化，達到聲波感測之目的，當聲光晶體光波導傳輸模態數量較低時，具有該聲光晶體光波導之聲波感測器對於聲波角度較為靈敏，反之，當聲光晶體光波導傳輸模態數量較高時，具有該聲光晶體光波導之聲波感測器對於聲波頻率較為靈敏；本發明之該聲光晶體光波導可提高聲波感測器之偵測頻率範圍及靈敏度，並藉由調整光波導傳輸模態的數量，進一步控制具有該聲光晶體光波導之聲波感測器對於頻率或聲波方向之靈敏度。
請參閱第1及2圖，一種具有聲光晶體光波導之聲波感測器100包含一發光元件110、一聲光晶體光波導120及一光偵測器130，該發光元件110用以提供一光線L，該發光元件110選自於放大自發輻射(ASE)光源、雷射光源或寬頻光源，在本實施例中，該發光元件110為放大自發輻射(ASE)光源，該光線L之波長範圍介於1520至1580nm之間，該聲光晶體光波導120可為積體光波導型態或光纖波導型態，在本實施例中，該聲光晶體光波導120為光纖波導型態，該聲光晶體光波導120用以傳輸該光線L至該光偵測器130，該光偵測器130用以接收通過該聲光晶體光波導120的光線並進行分析，在本實施例中，該光偵測器130為光譜儀。
請參閱第2圖，該聲光晶體光波導120包含一聲光晶體核心121及一 包覆層123，該聲光晶體核心121材料選自於具有聲光效應之鉬酸鉛(PbMoO4)、鍺酸鉍(Bi12GeO20,BGO)、二氧化鍗(TeO2)、硫代砷酸鉈(Tl3AsS4)、矽酸鉍(BSO)、氯化亞汞晶體(Hg2Cl2)、溴化鉛晶體(PbBrZ)、硫化砷鉑(TAS)、硫化砷銀(Ag3AsS3)、鍗單晶(Te)、鍺單晶(Ge)、正交晶系碘酸晶體(a-HlO3)、掺釹釓鎵石榴石(Nd：GGG)、鐿鈣鈮石榴石晶體(Nd：CNGG)或摻釹鈣鉭鋰鎵石榴石(Nd：CLTGG)，該聲光晶體核心121直徑為5至100微米(μm)，在本實施例中，該聲光晶體核心121材料為二氧化鍗(TeO2)，且在本實施例中，該聲光晶體核心121係經由兩次雷射加熱基座提拉法(LHPG)所製成，第一次雷射加熱基座提拉法(LHPG)將一直徑500微米(μm)之聲光晶體晶棒拉成一直徑約為300微米(μm)之聲光晶體纖維，第二次雷射加熱基座提拉法(LHPG)將該直徑約為300微米(μm)之聲光晶體纖維拉成該直徑為70微米(μm)之聲光晶體核心121。
請參閱第3圖，在本實施例中，製作該聲光晶體光波導120時，是將該聲光晶體核心121穿入一外包覆層122，該聲光晶體核心121具有一核心部121a及一待熔部121b，該待熔部121b位在該核心部121a外側，該外包覆層122具有一內環部122a及一外環部122b，該外環部122b位在該內環部122a外側，該外包覆層122材料選自於硼矽酸玻璃、鉛玻璃、鉛鋇玻璃、碳酸鈉玻璃、碳酸鉀玻璃、石英玻璃或二氧化矽玻璃，在本實施例中，該外包覆層122材料為硼矽酸玻璃。
請參閱第4圖，將穿設有該外包覆層122的該聲光晶體核心121置入於一集熱套管S中，在本實施例中，該集熱套管S材料為藍寶石，提供一雷射光R，在本實施例中，該雷射光R為二氧化碳雷射，將該雷射光R聚焦於該集熱套管S，以使該集熱套管S的溫度升高，該雷射光R使該集熱套管S的溫度升高至攝氏732至820度之間，該集熱套管S並以一速度移動，以使穿設有該外包覆層122的該聲光晶體核心121通過該集熱套管S。
在本實施例中，當穿設有該外包覆層122的該聲光晶體核心121通過該集熱套管S時，該集熱套管S以熱輻射方式加熱穿設有該外包覆層122的該聲光晶體核心121，使該聲光晶體核心121之該待熔部121b及該外包覆層122經由熱輻射加熱造成互熔或離子擴散而形成為該包覆層123，該包覆層123包覆該聲光晶體核心121，該聲光晶體光波導120可為單包覆層或多層包覆層之聲光晶體光纖波導。請參閱第2、3及4圖，在本實施例中，當該外包覆層122之該內環部122a與該聲光晶體核心121之該待熔部121b擴散互熔形成該包覆層123時，該聲光晶體光波導120為雙包覆層聲光晶體光纖波導(該外環部122b及該包覆層123)。或在另一實施例中，將雙包覆層聲光晶體光纖波導重複套入該外包覆層122並重複進行熱輻射加熱，該聲光晶體光波導120為多層包覆層聲光晶體光纖波導，該些外包覆層122具有保護該聲光晶體核心121之功能。或者，在另一實施例中，當該外包覆層122之厚度小於該聲光晶體光波導120直徑與該聲光晶體核心121直徑之差值的一半時，該外包覆層122之該內環部122a及該外環部122b與該聲光晶體核心121之該待熔部121b擴散互熔形成該包覆層123，該聲光晶體光波導120為單包覆層聲光晶體光纖波導，而單包覆層聲光晶體光纖波導的製程，亦可使用氫氟酸(HF)以蝕刻方式溶解雙包覆層或多層包覆層聲光晶體光纖波導之該外包覆層122以形成單包覆層聲光晶體光纖波導。
請參閱第4圖，由於該包覆層123是由該外包覆層122之該內環部122a與該聲光晶體核心121之該待熔部121b互熔或離子擴散而形成，因此，該包覆層123之厚度與該聲光晶體核心121之直徑成反比，熱輻射加熱時間越長，該包覆層123之厚度越大，相對地該聲光晶體核心121之直徑越小，當該聲光晶體核心121直徑越小，則該聲光晶體光波導120中的傳輸模態數量越少，因此可藉由熱輻射加熱控制該聲光晶體核心121的直徑，進而控制該聲光晶體光波導120的傳輸模態數量，以使本案之該聲光晶體光波導120能更廣泛的應用。
請參閱第2圖，該聲光晶體核心121具有一入光端121c及一出光端121d，該光線L是由該入光端121c輸入並由該出光端121d輸出，於正常情況下，該光線L於該聲光晶體核心121以波導方式進行傳輸，該聲光晶體核心121之光折射率大於該包覆層123，該包覆層123之光折射率大於該外包覆層122，在本實施例中，該包覆層123之光折射率介於1.4至2.5之間，當使用不同光折射率之該外包覆層122材料時，會形成具有不同光折射率之該包覆層123，而該聲光晶體核心121與該包覆層123之間的光折射率差，亦可控制該聲光晶體光波導120的傳輸模態數量。
請參閱第5及6圖，當該聲光晶體光波導120受到一連續聲波W影響時，該聲光晶體核心121中的聲光晶體密度發生週期性變化，造成該聲光晶體核心121之光折射率發生週期性變化而形成光柵，使一波長之光線L1無法以波導方式於該聲光晶體核心121進行傳輸，請參閱第6圖，當該光線L通過該聲光晶體核心121時，該光線L1會由該聲光晶體核心121折射至該聲光晶體光波導120外部，使得通過該聲光晶體核心121之該光線L光譜改變而成為一光線L2，該光偵測器130接收由該出光端121d輸出之該光線L2，且該光偵測器130用以分析通過該聲光晶體光波導120之該光線L2，以分析判斷聲波，在本實施例中，該聲光晶體光波導120可偵測頻率10 Hz以上之聲波，且該聲光晶體光波導120可偵測聲壓級-236 至70 分貝之聲波。
由於特定聲波頻率會造成特定波長光線折射至該聲光晶體光波導120外部而發生強度變化，請參閱第7圖，其為光學頻譜與聲波頻率之關係圖， 5.60 MHz頻率之聲波會造成1536 nm波長之光線折射至該聲光晶體光波導120外部並降低其光強度，5.56 MHz頻率之聲波會造成1544.5 nm波長之光線折射至該聲光晶體光波導120外部並降低其光強度，5.54 MHz頻率之聲波會造成1551.5 nm波長之光線折射至該聲光晶體光波導120外部並降低其光強度，5.51 MHz頻率之聲波會造成1563.5 nm波長之光線折射至該聲光晶體光波導120外部並降低其光強度，5.49 MHz頻率之聲波會造成1567 nm波長之光線折射至該聲光晶體光波導120外部並降低其光強度，因此可藉由特定波長光線的光強度變化，判斷該連續聲波W頻率為何。
請參閱第1、5及6圖，該具有聲光晶體光波導之聲波感測器100另包含一第一導光元件140及一第二導光元件150，該第一導光元件140設置於該發光元件110及該聲光晶體光波導120之間，該第一導光元件140用以將該光線L由該發光元件110傳輸至該聲光晶體光波導120，該第二導光元件150設置於該聲光晶體光波導120及該光偵測器130之間，該第二導光元件150用以將該光線L2由該聲光晶體光波導120傳輸至該光偵測器130，在本實施例中，該第一導光元件140及該第二導光元件150可選用單模光纖(single mode fiber)、多模光纖(Multi-mode fiber)或其他導光材料。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100‧‧‧聲波感測器
110‧‧‧發光元件
120‧‧‧聲光晶體光波導
121‧‧‧聲光晶體核心
121a‧‧‧核心部
121b‧‧‧待熔部
121c‧‧‧入光端
121d‧‧‧出光端
122‧‧‧外包覆層
122a‧‧‧內環部
122b‧‧‧外環部
123‧‧‧包覆層
130‧‧‧光偵測器
140‧‧‧第一導光元件
150‧‧‧第二導光元件
L‧‧‧光線
L1‧‧‧光線
L2‧‧‧光線
R‧‧‧雷射光
S‧‧‧集熱套管
W‧‧‧聲波
第1圖：本發明「具有聲光晶體光波導之聲波感測器」之示意圖。
第2圖：本發明「聲光晶體光波導」之示意圖。
第3圖：本發明「聲光晶體核心及包覆層」之示意圖。
第4圖：本發明製作「聲光晶體光波導」之示意圖。
第5圖：本發明以「具有聲光晶體光波導之聲波感測器」之偵測聲波示意圖。
第6圖：本發明通過「聲光晶體光波導」之光線路徑示意圖。
第7圖：本發明「聲光晶體光波導」之光學頻譜與聲波頻率關係圖。
120‧‧‧聲光晶體光波導
121‧‧‧聲光晶體核心
121a‧‧‧核心部
121c‧‧‧入光端
121d‧‧‧出光端
122‧‧‧外包覆層
122b‧‧‧外環部
123‧‧‧包覆層
L‧‧‧光線

Claims (10)

  1. 一種聲光晶體光波導，用以傳輸一光線，其包含：一聲光晶體核心，其具有一核心部、一待熔部、一入光端及一出光端，該待熔部位於該核心部外側，該光線由該入光端輸入並由該出光端輸出，該光線於該聲光晶體核心以波導方式進行傳輸；以及一包覆層，其包覆該聲光晶體核心，當該聲光晶體光波導受到一連續聲波影響時，該聲光晶體核心中的聲光晶體密度發生週期性變化，造成該聲光晶體核心之光折射率發生週期性變化而形成光柵，使一波長之光線無法以波導方式於該聲光晶體核心進行傳輸而由該聲光晶體核心折射至該聲光晶體光波導外部，使得通過該聲光晶體核心之該光線光譜改變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之聲光晶體光波導，其另具有一外包覆層，該外包覆層具有一內環部及一外環部，該外環部位於該內環部外側，該內環部及該待熔部擴散互熔形成該包覆層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之聲光晶體光波導，其中該聲光晶體核心材料選自於鉬酸鉛(PbMoO4)、鍺酸鉍(Bi12GeO20,BGO)、二氧化鍗(TeO2)、硫代砷酸鉈(Tl3AsS4)、矽酸鉍(BSO)、氯化亞汞晶體(Hg2Cl2)、溴化鉛晶體(PbBrZ)、硫化砷鉑(TAS)、硫化砷銀(Ag3AsS3)、鍗單晶(Te)、鍺單晶(Ge)、正交晶系碘酸晶體(a-HlO3)、掺釹釓鎵石榴石(Nd：GGG)、鐿鈣鈮石榴石晶體(Nd：CNGG)或摻釹鈣鉭鋰鎵石榴石(Nd：CLTGG)。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之聲光晶體光波導，其中該外包覆層材料選自於硼矽酸玻璃、鉛玻璃、鉛鋇玻璃、碳酸鈉玻璃、碳酸鉀玻璃、石英玻璃或二氧化矽玻璃。
  5. 一種具有聲光晶體光波導之聲波感測器，其包含：一聲光晶體光波導，其包含一聲光晶體核心及一包覆層，該聲光晶體核心具有一核心部、一待熔部、一入光端及一出光端，該待熔部位於該核心部外側，一光線由該入光端輸入並由該出光端輸出，該光線於該聲光晶體核心以波導方式進行傳輸，該包覆層包覆該聲光晶體核心，當該聲光晶體光波導受到一連續聲波影響時，該聲光晶體核心中的聲光晶體密度發生週期性變化，造成該聲光晶體核心之光折射率發生週期性變化而形成光柵，使一波長之光線無法以波導方式於該聲光晶體核心進行傳輸而由該聲光晶體核心折射至該聲光晶體光波導外部，使得通過該聲光晶體核心之該光線光譜改變；以及一光偵測器，其接收由該出光端輸出之該光線，該光偵測器用以分析通過該聲光晶體光波導之該光線。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具有聲光晶體光波導之聲波感測器，其中該聲光晶體光波導另具有一外包覆層，該外包覆層具有一內環部及一外環部，該外環部位於該內環部外側，該內環部及該待熔部擴散互熔形成該包覆層。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之具有聲光晶體光波導之聲波感測器，其中該聲光晶體核心材料選自於鉬酸鉛(PbMoO4)、鍺酸鉍(Bi12GeO20,BGO)、二氧化鍗(TeO2)、硫代砷酸鉈(Tl3AsS4)、矽酸鉍(BSO)、氯化亞汞晶體(Hg2Cl2)、溴化鉛晶體(PbBrZ)、硫化砷鉑(TAS)、硫化砷銀(Ag3AsS3)、鍗單晶(Te)、鍺單晶(Ge)、正交晶系碘酸晶體(a-HlO3)、掺釹釓鎵石榴石(Nd：GGG)、鐿鈣鈮石榴石晶體(Nd：CNGG)或摻釹鈣鉭鋰鎵石榴石(Nd：CLTGG)。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之具有聲光晶體光波導之聲波感測器，其中該外包覆層材料選自於硼矽酸玻璃、鉛玻璃、鉛鋇玻璃、碳酸鈉玻璃、碳 酸鉀玻璃、石英玻璃或二氧化矽玻璃。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之具有聲光晶體光波導之聲波感測器，其另包含一發光元件，該發光元件用以提供該光線。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具有聲光晶體光波導之聲波感測器，其中該發光元件選自於放大自發輻射(ASE)光源、雷射光源或寬頻光源。
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