TWI571625B - 感測光纖及感測裝置 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種光纖及光學裝置，且特別是有關於一種感測光纖及感測裝置。
隨著科技的發展，資訊的傳遞已經成為找要發展的科技之一。資訊的傳輸量、穩定性、品質以及速度都一直是資訊傳遞科技的主要課題之一，也更凸顯了光纖通訊的重要性與外來發展。西元1987年，科學家Sajeev John和Eli Yablonovitc分別提出一種具有週期性光子晶體結構的基礎理論，以一維、二維、三維的排列方式讓材料的折射率或介電常數產生週期性變化，且在西元1996年更有Russel和J.C.Knight博士等人將光子晶體結構導入光纖，並在纖核周圍製造具有多個週期排列的空氣孔洞(air hole)的被覆層(Cladding)以形成光子晶體光纖。
另一方面，於1902時被發現的表面電漿子(Surface plasma)隨著科技發展也已經應用在化學感測器、生物醫學及食品檢驗等領域。表面電漿子共振(surface plasmon resonance)為存在於金屬與介電質表面上自由電子形成同調性的表面電磁波
[19]，這些自由電子的群體行為，稱為表面電漿子。而當表面電漿子產生時，表面電漿子模態(Surface plasmon mode)會侷限在金屬表面附近，且電磁波的場強度在金屬表面與介電質表面具有最大值，並隨著遠離金屬表面而呈指數性遞減。此現象顯示表面電漿子高靈敏度的特性，因此被廣泛利用於各類表面光譜的測量上，例如表面增強拉曼光譜學(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)。
然而，現有利用金屬薄膜之消散波(evanscent wave)所產生之表面電漿子在應用性及靈敏度仍有所限制，且當在光子晶體光纖的空氣孔洞上形成金屬薄膜的過程中，空氣孔洞會在高溫下產生形變，進而難以控制金屬薄層的厚度及品質。
本發明提供一種感測光纖，其具有良好地感測靈敏度。
本發明提供一種感測裝置，其可以提供良好的感測效果。
本發明的實施例的感測光纖適於沿著一路徑傳遞一感測光束並感測一待測物。感測光纖包括一纖核(core)、多個環繞纖核的光子晶體結構、一感測面以及金屬感測層。纖核位於感測光纖的中心。這些光子晶體結構沿著上述路徑延伸。感測面沿著部分路徑延伸且鄰近纖核，且具有多個金屬光柵結構的金屬感測層配置於感測面上。當感測光纖在感測待測物時，金屬感測層位於感測面及待測物之間，且部分感測光束被金屬感測層上的待測物
轉換成一訊號光束。
本發明的實施例的感測裝置適於感測一待測物，感測裝置包括一光源、上述的感測光纖以及一接收單元。感測光纖適於沿著上述路徑傳遞光源發出的感測光束並感測待測物。感測光纖還包括一入光端以及一出光端，且感測面位於入光端及出光端之間。光源所發出的感測光束自入光端進入感測光纖，部分感測光束被金屬感測層上的待測物轉換成一訊號光束，訊號光束自出光端發出並進入接收單元。
在本發明的一實施例中，上述的金屬感測層的這些金屬光柵結構沿著垂直於路徑的方向排列。
在本發明的一實施例中，上述的金屬感測層在垂直於感測面的方向上具有一總厚度，總厚度大於等於40奈米且小於等於80奈米。
在本發明的一實施例中，上述的金屬感測層更具有一第一金屬層以及一位於感測面及第一金屬層之間的第二金屬層。上述這些金屬光柵結構形成於第一金屬層。
在本發明的一實施例中，上述的這些金屬光柵結構符合，其中d為這些金屬光柵結構沿著垂直於感測面的方向上的深度，Λ為這些金屬光柵結構之間的節距。
在本發明的一實施例中，上述的接收單元為光譜儀(Optical Spectrum Analyzer,OSA)、能量計或光能計。
基於上述，本發明的實施例的感測光纖的感測面上的金
屬感測層具有多個金屬光柵結構，因此當感測光束在纖核中傳遞時，感測光束可以有效率地傳遞至金屬感測層上的待測物，藉由得到待測物所轉換的訊號光束來提供一個良好地感測效果。本發明的實施例的感測裝置因為具有上述的感測光纖，因此當光源發出感測光束至感測光纖時，接收單元可以皆收到良好的待測物的感測訊號。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
d‧‧‧深度
d1、d2‧‧‧直徑
d3‧‧‧厚度
d4‧‧‧距離
K1‧‧‧方向
L1、L2、L3、L4‧‧‧光束
S1、S2‧‧‧路徑
Λ1、Λ2‧‧‧節距
50、50C‧‧‧待測物
100、100A、100B、100C‧‧‧感測光纖
101C‧‧‧入光端
103C‧‧‧出光端
110‧‧‧纖核
120、120A、120B、130、130A、130B‧‧‧光子晶體結構
140、140A、140C‧‧‧感測面
150、150C‧‧‧金屬感測層
160、160C‧‧‧金屬光柵結構
161、161C‧‧‧第一金屬層
162、162C‧‧‧第二金屬層
200C‧‧‧感測裝置
210C‧‧‧光源
220C‧‧‧接收單元
圖1是依照本發明的第一實施例的一種感測光纖的側面示意圖。
圖2A是依照本發明的第一實施例的感測光纖的截面示意圖。
圖2B是根據圖2A中金屬感測層的局部放大圖。
圖3A是依照本發明的一實施例的感測光纖的截面示意圖。
圖3B是依照本發明的另一實施例的感測光纖的截面示意圖。
圖4A是依照本發明的第二實施例的一種感測裝置的示意圖。
圖4B是根據圖4A中金屬感測層的局部放大圖。
圖5A是本發明的第三實施例中光柵週期變化之表面電漿子模態等效折射率與波長變化圖。
圖5B是本發明的第三實施例中基本模態Ey方向的等效折射
率虛部與波長變化圖。
圖6A是本發明的第四實施例中第二層金屬材料變化之表面電漿子模態等效折射率與波長變化圖。
圖6B是本發明的第四實施例中第二金屬材料變化之基本模態Ey方向等效折射率虛部與波長變化圖。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種感測光纖的側面示意圖。在本發明的第一實施例中，感測光纖100適於沿著一路徑S1傳遞一感測光束L1並感測一待測物50。感測光纖100包括一纖核110、多個環繞纖核110的光子晶體結構120及130、一感測面140以及金屬感測層150。纖核110位於感測光纖100的中心。這些光子晶體結構120及130沿著上述路徑S1延伸。
具體來說，本實施例的感測光纖100例如是由一種結構為全固態光子晶體光纖加工而成，所述的全固態光子晶體光纖在製程上以固態材料填滿的固態柱來形成全固態光子晶體光纖中的光子晶體結構120及130，且本實施例以光子晶體結構120、130總圈數為五圈的全固態光子晶體光纖為例，但本發明的光子晶體結構總圈數不以此為例。
本發明第一實施例的這些光子晶體結構120及130的折射係數小於纖核110的折射係數。詳細而言，光子晶體結構120、130的折射率例如介於1.402至1.42，而纖核110的材料例如為具
有折射率介於1.437至1.44的二氧化矽(Silica)摻雜鍺(Germanium)，也就是藉由提高纖核的折射率來使感測光束L1在纖核110中更容易被光子晶體結構120、130全反射，進而提昇傳輸效率。
在本實施例中，感測面140沿著部分路徑S1延伸且鄰近纖核110。本實施例的感測面140例如是藉由將上述的全固態光子晶體光纖做研磨拋光以形成感測面140。金屬感測層150例如是以金屬材質鍍在感測面140上的薄膜，當感測光纖100在感測待測物50時，金屬感測層150位於感測面140及待測物50之間，且部分感測光束L1被金屬感測層150上的待測物50轉換成一訊號光束L2。
圖2A是依照本發明的第一實施例的感測光纖的截面示意圖。圖2B是根據圖2A中金屬感測層的局部放大圖。詳細來說，請參照圖2A及圖2B，在本實施例中，具有多個金屬光柵結構160的金屬感測層150配置於感測面140上，也就是金屬感測層150的多個金屬光柵結構160使金屬感測層150具有的厚度具有一高一低的分佈，因此可以使增強感測光束L1在纖核110中傳遞時在感測面140附近的表面電漿子模態(surface plasmon mode)，進而使待測物50可以被感測光束L1更有效率的感測。換句話說，金屬光柵結構160可以使增加金屬感測層150上的表面電漿子模態的分佈區域，進而使感測光纖100具有高傳輸、高靈敏度與低損耗的優異效果。另一方面，藉由全固態光子晶體光纖所形成的感
測光纖可以讓金屬感測層150良好地鍍在表面上，並不會因為空氣孔洞的覆蓋而導致形變。
在本實施例中，由於感測光纖100在感測面140及金屬感測層150具有良好的表面電漿子模態，因此位於金屬感測層150上的待測物50可以充分的將感測光束L1轉換為訊號光束L2。具體來說，在本實施例中，金屬感測層150上更可以配置一適於與待測物結合的抓取層(未繪示)，使金屬感測層150位於抓取層及感測面140之間。上述的抓取層例如是一種抗原、而待測物例如是一種抗體，由於抗體單獨在接收感測光束L1後所轉換出的訊號光束與抗體結合抗原後接收感測光束L1後所轉換出的訊號光束會有不同的光譜分佈，藉由上述這種光譜的差異，本實施例的感測光纖100可以藉由訊號光束L2來得知待測物50中抗原的存在於否，進而提供一個良好地感測效果。進一步來說，本實施例的感測光纖100可以應用在生物感測(Biosensor)上，藉由良好的表面電漿子模態來感測待測物的螢光光譜或拉曼光譜。
在本實施例中，上述的金屬感測層150更具有一第一金屬層161以及一位於感測面140及第一金屬層161之間的第二金屬層162。具體來說，金屬感測層150例如是在感測面140上鍍上一層第一金屬層161，接著在第一金屬層161上鍍上第二金屬層162，藉由週期性的蝕刻第一金屬層161來形成金屬光柵結構160，進而使這些金屬光柵結構160形成於第一金屬層161。
請參照圖2A及圖2B，在本實施例中，上述的金屬感測
層150的這些金屬光柵結構160沿著垂直於路徑S1的方向K1排列，且這些金屬光柵結構160符合，其中d為這些金屬光柵結構160沿著垂直於感測面140的方向上的深度，Λ1為這些金屬光柵結構160之間的節距。另一方面，金屬感測層150在垂直於感測面140的方向上具有一總厚度d3，總厚度d3大於等於40奈米且小於等於80奈米。
詳細來說，本實施例的第一金屬層161及第二金屬層162都是厚度為40奈米的銀薄膜，藉由對第二金屬層162進行週期性的蝕刻來製作出具有高低變化的週期性金屬光柵，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，金屬感測層的材質更可以包括金、銅以及銀。
請參照圖2A，在本發明的第一實施例中，光子晶體結構120的直徑d1為1.2微米(micrometer,μm)，光子晶體結構130的直徑d2為1.6微米。具體來說，光子晶體結構120形成一內部光子晶體層，光子晶體結構130形成一外部光子晶體層，內部光子晶體層位於纖核110及外部光子晶體層之間。形成內部光子晶體層的光子晶體結構120垂直於路徑S1的截面(也就是圖2A所繪示的截面)的直徑d1小於形成外部光子晶體層的光子晶體結構130垂直於路徑S1的截面的直徑d2。進一步來說，在本發明的一實施例中，形成內部光子晶體層的光子晶體結構垂直於路徑的截面的直徑大於等於1.0微米並小於等於1.4微米，而形成外部光子晶體層的光子晶體結構垂直於路徑的截面的直徑大於等於1.4微
米並小於等於1.8微米。在本實施例中，光子晶體結構130之間的節距Λ2為2μm，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，光子晶體結構120、130之間的節距介於2微米至2.6微米之間。
如上所述，本實施例的感測光纖100是由全固態光子晶體光纖研磨拋光而成，從纖核110中心至感測面140的距離d4為2.66微米，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，感測面和纖核之間的距離介於2微米至2.8微米之間。另一方面，在本實施例中，上述的全固態光子晶體光纖中的光子晶體結構120、130例如是以六邊形的分佈區域分佈於全固態光子晶體光纖中，但本發明不限於此。
圖3A是依照本發明的一實施例的感測光纖的截面示意圖。請參照圖3A，在本發明的一實施例中，感測光纖100A的感測面140A更可以自不同方向往纖核研磨拋光。更具體來說，本實施例的光子晶體結構120A、130A相較於上述第一實施例的光子晶體結構120、130翻轉了九十度。
圖3B是依照本發明的另一實施例的感測光纖的截面示意圖。請參照圖3B，在本發明的另一實施例中，形成感測光纖100B的全固態光子晶體光纖中的光子晶體結構120B、130B更可以是以圓形分佈於光纖中，也就是說，本發明的實施例中的這些光子晶體結構在一垂直於感測光纖傳遞感測光束的路徑的平面上排列成半圓形、半月形或多邊形。
圖4A是依照本發明的第二實施例的一種感測裝置的示
意圖。請參照圖4A，在本發明的第二實施例中，感測裝置200C適於感測一待測物50C，且感測裝置200C包括一光源210C、感測光纖100C以及一接收單元220C。感測光纖100C適於沿著路徑S2傳遞光源210C發出的感測光束L3並感測待測物50C。感測光纖100C還包括一入光端101C以及一出光端103C，且感測面140C位於入光端101C及出光端103C之間。光源210C所發出的感測光束L3自入光端101C進入感測光纖100C，部分感測光束L3被金屬感測層150C上的待測物50C轉換成一訊號光束L4，訊號光束L4自出光端103C發出並進入接收單元220C。
在本實施例中，接收單元為光譜儀，藉由光譜儀對訊號光束L4的光譜分析可以得知待測物的成份，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，接收單元更可以是能量計或光能計。
圖4B是根據圖4A中金屬感測層的局部放大圖。請參照圖4B，在本實施例的感測光纖100C的金屬感測層150C包含第一金屬層161C及第二金屬層162C，且第一金屬層161C的材質與第二金屬層162C的材質不同。更具體來說，在本實施例的第一金屬層161C的材質是銀，第二金屬層162C的材質是銅，藉以形成具有不同金屬材料構成多個金屬光柵結構160C的金屬感測層150C，同時提昇感測光纖的靈敏度。
表一為本發明的第三實施例的實驗數據，且圖5A、5B為根據表一之各週期的金屬感測層的模擬數據圖。表一中的模態實部及模態虛部是經由Lorentz model所計算出，而靈敏度是經由
所計算出，其中S λ 為靈敏度，單位為(nm/RIU(單位折射率，Refractive Index Unit,RIU))，λ peak 為產生耦合模態時的共振波長，n a 為分析物的折射率。
由表一可以看出當週期數增加時，靈敏度為也隨之提昇，因此本發明的實施例的感測光纖因為具有週期排列的金屬光柵結構可以讓感測光纖具有良好的靈敏度。圖5A是本發明的第三實施例中光柵週期變化之表面電漿子模態等效折射率與波長變化圖。由圖5A可以觀察具有金屬光柵的感測光纖具有良好的表面電漿子模態的等效折射率。圖5B是本發明的第三實施例中基本模態Ey方向的等效折射率虛部與波長變化圖，圖5B可觀察出週期排列的金屬光柵結構可以提高表面電漿子模態的等效折射率，因此損耗也相對增加，而耦合模態的場型分布相對較明顯。
表二為本發明的第四實施例的實驗數據，且圖6A、6B為根據表二之各金屬材質的金屬感測層的模擬數據圖。表二中的模態實部及模態虛部是經由Lorentz model所計算出，而靈敏度是經由所計算出，其中S λ 為靈敏度，單位為(nm/RIU(單位折射率，Refractive Index Unit,RIU))，λ peak 為產生耦合模態時的共振波長，n a 為分析物的折射率。
詳細來說，圖6A是本發明的第四實施例中第二層金屬材料變化之表面電漿子模態等效折射率與波長變化圖，圖6B是本發明的第四實施例中第二金屬材料變化之基本模態Ey方向等效折射率虛部與波長變化圖。由圖6A可以看出當金屬感測層的表面電漿子模態的等效折射率高於其他兩種材料，由圖6B可發現本實施例的金屬感測層具有較高的損耗，同時也具有良好的靈敏度。
綜上所述，本發明的實施例的感測光纖具有了不同的金屬感測層配置在感測面上，上述的金屬感測層具有多個金屬光柵結構，藉以使感測光纖在傳遞感測光束時可以具有良好的表面電漿子模態，進而使感測光束可以有效率地感測金屬感測層上的待測物，並藉由分析待測物所轉換的訊號光束來提供一個良好的感測效果。換句話說，本發明的實施例的感測光纖結合了光纖之消散波及金屬光柵結構兩大表面電漿子的產生機制，因此可以有效增進感測光纖的靈敏度及實用性。本發明的實施例的感測裝置因為具有上述的感測光纖，因此當光源發出感測光束至感測光纖時，接收單元可以皆收到良好的待測物的感測訊號。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
L1、L2‧‧‧光束
S1‧‧‧路徑
50‧‧‧待測物
100‧‧‧感測光纖
110‧‧‧纖核
120、130‧‧‧光子晶體結構
140‧‧‧感測面
150‧‧‧金屬感測層
Claims (10)
- 一種感測光纖，適於沿著一路徑傳遞一感測光束並感測一待測物，該感測光纖包括：一纖核，位於該感測光纖的中心；多個光子晶體結構，環繞該纖核並沿著該路徑延伸；一感測面，沿著部分該路徑延伸且鄰近該纖核；以及一金屬感測層，配置於該感測面上，該金屬感測層具有多個金屬光柵結構，當該感測光纖在感測該待測物時，該金屬感測層位於該感測面及該待測物之間，且部分該感測光束被該金屬感測層上的該待測物轉換成一訊號光束。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測光纖，其中該金屬感測層的該些金屬光柵結構沿著垂直於該路徑的方向排列。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測光纖，其中該金屬感測層在垂直於該感測面的方向上具有一總厚度，該總厚度大於等於40奈米且小於等於80奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測光纖，其中該金屬感測層更具有一第一金屬層以及一第二金屬層，該第二金屬層位於該感測面及該第一金屬層之間，該些金屬光柵結構形成於該第一金屬層。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測光纖，其中該些金屬光柵結構符合，其中d為該些金屬光柵結構沿著垂直於該感測面的方向上的深度，Λ為該些金屬光柵結構之間的節距。
- 一種感測裝置，適於感測一待測物，該感測裝置包括：一光源，適於發出一感測光束；一感測光纖，適於沿著一路徑傳遞該感測光束並感測該待測物，該感測光纖包括：一入光端，一出光端，一纖核，位於該感測光纖的中心；多個光子晶體結構，環繞該纖核並沿著該路徑延伸；一感測面，沿著部分該路徑延伸且鄰近該纖核，該感測面位於該入光端及該出光端之間；以及一金屬感測層，配置於該感測面上，該金屬感測層具有多個金屬光柵結構，當該感測光纖在感測該待測物時，該金屬感測層位於該感測面及該待測物之間；以及一接收單元，該光源所發出的該感測光束自該入光端進入該感測光纖，部分該感測光束被該金屬感測層上的該待測物轉換成一訊號光束，該訊號光束自該出光端發出並進入該接收單元。
- 如申請專利範圍第6項所述的感測裝置，其中該金屬感測層在垂直於該感測面的方向上具有一總厚度，該總厚度大於等於40奈米且小於等於80奈米。
- 如申請專利範圍第6項所述的感測裝置，其中該金屬感測層更具有一第一金屬層以及一第二金屬層，該第二金屬層位於該感測面及該第一金屬層之間，該些金屬光柵結構形成於該第一金 屬層。
- 如申請專利範圍第6項所述的感測裝置，其中該些金屬光柵結構符合，其中d為該些金屬光柵結構沿著垂直於該感測面的方向上的深度，Λ為該些金屬光柵結構之間的節距。
- 如申請專利範圍第6項所述的感測裝置，其中該接收單元為光譜儀、能量計或光能計。
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