光纖量測
６．１ 光纖量測簡介
６．２ 光纖量測分析
６．３ 光纖量測於量測上之應用
６．１ 光纖量測簡介
談到光纖，首先便會想到光纖在通信上的應用，一根光纜中的其中一條光纖即可以取代一萬條以上的電話線，光纖實在是傳遞信號極其優良的工具，藉著如髮般纖細的光蕊，可以完成大量而且多重的通信工作。人類很早就知道用光來傳送信號，而用電通信事實上不過百年來歷史，1870年John Tyndal用水柱作為光介質的實驗，1930年開始採用玻璃纖維來傳送光。早期的光纖有兩大缺失，一是價昂，二是損失很大。目前這兩項問題已經克服。所謂 的光纖感測器即是利用光纖來傳輸量測的信號，除了忠實的傳送量測信號外，有時我們也加入特殊的調制，運用光纖特性受待測環境因素變化影響而有所改變，依此而作成光纖感測器，它可以達到許多其它量測方式所無法達到的目的。光纖感器有如下的幾個優點：
１．靈敏度高，不受電磁雜訊之干擾。
２．體積小、重量輕、壽命長、價格低廉。
３．絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適於特殊環境之工作。
４．幾何形狀可依環境要求調整，信號傳輸容易。
圖1 光纖之構造及一般的規格舉隅
如圖1，光纖依其構造可分為：
１．核心部份(Cone)：即光纖中傳遞光信號的部份。
２．外殼部份(Cladding)：即被覆在核心外圍的部份，為使光線能在核心中傳送，所以核心部份之折射射率須比外殼之折射率大，才能造成全反射。
３．保護層(Jacket)保護在外殼周圍，以防止損害光纖之外殼及核心。
光纖之折射率分佈情形可分為：(圖2)
圖2 光纖之折射率分佈情形
１．階梯型折射率分佈光纖：最早為多模光纖，其光纖核心與外殼之折射率呈突然階梯形之變化。多模光纖通常沿其中心軸平行前進的光線與彎曲前進的光纖到達時間會有差異，因此無法傳遞量測信號中相位的訊息。如果採用多模光纖作為光纖感測，那麼一般只是作亮度（振幅）方面的調制。繼多模光纖之後而開發出單模光纖，其核心直徑特別小(3.5-10μm) ，只容許一束光束進入核心中，因此能夠光信號的相位訊息，唯其核心甚小，因此在耦合(coupling)較為困擾。目前在光纖感測方面，多模和單模光纖的使用量都很廣泛，可謂難分軒輊。多模光纖之直徑通常自50至1000μm大小，價格便宜易於使用，唯其傳遞信號的頻寬較窄。
２．連續型折射率分佈之光纖：
圖3(A) 光線在光纖內部傳輸所行走的路徑其彎曲曲率與折射率分佈之梯度圖
圖3(B)光線在光纖內部傳輸所行走的路徑其彎曲曲率與折射率分佈之梯度圖
通常連續型折射率分佈的光纖的響應頻率可高達800MHz/km，而價格較昂，因此適合一些較高級的場合使用。 連續型折射率分佈之光纖其折射率分佈情形為：離中心越近，其折射率越小。因此光線在內部行走的路線為彎曲形狀，如圖3(A)。光線在光纖內部傳輸所行走的路徑其彎曲曲率與折射率分佈之梯度有關。見圖3(A)，設光自光纖之折射率為n(r)的地方走至折射率為n(r+δr)的地方，由斯奈爾法則(Snell's Law)：
若光從折射率為n(r)的介質入射折射率為n(r+δr)的介質，入射角
，折射角
則
，亦即
由泰勒展開式，可得：
由
，可得：
而
因此光線在連續型折射率分佈之光纖內部傳輸所行走的路徑其彎曲
曲率與折射率分佈之梯度之關係為：
６．２ 光纖量測分析
圖4(A) 光纖之損失原因
圖4(B) 各種波長雷射光入射時，在光纖傳送信號的衰減量
談到光纖傳輸光線信號時，首先須對光線入射二不同介質時所發生反射及折射現象作一瞭解，利用全反射，我們可很輕易的使用光纖來改變光的行進方向，且在過程中， 使光的損耗最小。光纖之損失原因如圖4(A)，通常包含下列各項：
１．材料的吸收損失：
由於光纖內含有過度金屬元素$(如
.....等)，這類金屬在光譜範圍有廣大的吸收帶。另外所含的OH及材料的缺陷（如光纖抽絲所引起的核心及外殼介面構造之微小變化），亦產生損失，這些都是必須在製造技術上作改進的。
２．材料的散射損失：
由於材料之密度或組成不均皆產生Rayleigh散射，其損失值與lambda成正比，因此波長越長，損失越小，除了Rayleigh散射外，尚有其他的散射行為，但影響不如Rayleigh散射來得大。
３．機械變形所引起之損失：
當機械變形所引起的微曲及彎曲皆造成光纖傳送信號的損失，所謂微曲損失是指當光纖纏繞在一圓筒狀上，在這圓筒表面的不平坦會引起微曲現象，其所受到的不均勻之側面壓力造成在軸方向產生微末級的彎曲，因此而造成損失的情形。所謂彎曲損失則是指在某處之入射角比臨界角θ小時，光向外面折射而造成之損失。
圖4(B) 為各種波長雷射光入射時，在光纖傳送信號的衰減量，以dB值表示。
如果我們希望光纖在傳導信號時，尚能保持原有入射光的偏極方向，則須採用偏光保持光纖(polarization-preservaing fiber)，這種光纖在同調式通訊、光纖干涉及光纖陀螺儀方面有很廣泛的應用，以下是三種偏光保持光纖的型態：BOWIE,PANDA,及D-CORE(圖5)。
圖5 三種偏光保持光纖的型態
一般我們所指的光纖都是指石英玻璃光纖(Silica-based glasses)，事實上光纖之材料可分為無機材料及有機材料兩種有機材料如PMMA塑膠或PCF塑膠，其損失較無機材料大，但價格較低，大都用於近距離之通訊，而有機材料中，目前以石英玻璃之損失為最低，並且又具有高強度及良好的安定性，其主要成份為二氧化矽(
)，當為了增大旗折射率時，會添加二氧化鍺、氧化鋁、二氧化、氧化磷等材料，當為了減少其折射率時，則考慮加入三氧化二硼及氟等材料。
光纖的斷續並不如電線那麼容易，光纖之連接方式有二，一是活動式連接，即是可取下再裝上的連接方式，二是永久性連接(joint或splice)。無論是那一種連接方式，最好在兩纖維之核心部份必須沒有間隙，並且應沿軸心方向垂直連接，其尺寸精度要求甚高，當考慮將光纖切斷時，亦應使用專用之光纖切線器及光纖剝皮器來工作。
圖6 光隔離接頭(optically isolated pigtail)
圖7 雷射二極體與光纖接頭套裝在光隔離接頭的安裝情形
光纖在二極體雷射光入射時，常有反射光點反射回到二極體雷射的共振腔中，造成雷射光輸出的雜訊，這種情形可利用如圖6的光隔離接頭 (optically isolated pigtail)來改善。其整體的安裝情形如圖(7)，雷射二極體與光纖接頭套裝在光隔離接頭即能工作。
光纖信號的檢出有光強度型及相位干涉型兩種方式。光強度型其主要原理是利用幾何物理量的變化與光纖信號強弱之關係，以用之於諸如壓力、應力、加速度、聲波、轉速、溫度、磁場、電壓、電場等等檢測領域。雖然靈敏度較相位干涉式低，但其結構及原理十分簡單，操作方便，並且可以採用連續型折射率分佈光纖、階梯型折射率分佈之多模或單模光纖為其優點。在圖8是一多模光纖傳導670 nm的二極體雷射光所得到的信號增益圖9為一單模光纖傳導780nm的二極體雷射光所得到的信號增益圖而12-10為一連續型折射率分佈光纖傳導1300nm二極體雷射所得到的信號增益圖。從圖中可以看出單模光纖不但很忠實的傳導出雷射光的亮度，也同時傳導雷射光的頻譜，因此也很適合相位式的干涉。至於相位干涉型光纖感測器則因其靈敏度高，故其應用之範圍亦非常廣，可以感測到非常微小的量。
圖8 一多模光纖傳導670 nm的二極體雷射光所得到的信號增益
圖9 單模光纖傳導780nm的二極體雷射光所得到的信號增益
圖10 連續型折射率分佈光纖傳導1300nm二極體雷射所得到的信號增益
６．３ 光纖量測於量測上之應用
在此我們討論光纖感測器幾個應用的實例：
一．利用光強度檢測的場合：
１．光纖顯像器：
最直接也最能顯現光纖大量傳送光信號的例子為光纖顯像器$(Fiberscope)，利用一束兩端端面整齊密集的光纖束，以傳輸影像，通常可在光纖束的一個端面加上物鏡，而另一端面加上目鏡，而形成可直接觀察微小物體的量測裝置。
２．光纖光學編碼器 ：
用來取代光學編碼器中的光源及光偵測器，以縮小原來LED及光電晶體之體積所佔空間，以便偵測更微細的角度變化量，如圖11。
圖11 光纖用來作為光學分角儀中的光源及光偵器
３．偵測位移變化量：
由光源部位經光纖束所發出來的光，由待測物反射回偵測器部位的光纖束，如果待測物產生位移或表面粗度的改變量，則反射回光纖的光束強度將會有所改變，據此光束強度之改變量以判知待測物位移的變化量大小。光源部位光纖束與偵測器部位的光纖束其安排可為一左一右式及中央周圍型式。如圖12要特別注意的是：光束強度之改變量與待測物位移的變化量大小另有非線性之函數關係存在，必須選擇在線性區域內來測量。
圖12 光纖偵測位移變化量
４．偵測受力撓曲情形：
由於光纖本身大角度撓曲時，其內傳輪的光束會有所損失，因此可以藉特殊幾何安排以得到受力樑的撓曲量，如圖，由圖13於偵測受力撓曲的量取方式為利用反射回來的光量經光電效應而轉換成電壓值 。如果偵測受力之撓曲量與電壓成正比，則可利用各段線性關係，可以有較好的撓曲值與 電壓之函數關係。此法可突破了一般量測的偵測受力撓曲之上下限。
圖13 光纖用來作為偵測受力撓曲
５．光纖流量計：
光纖流量計亦利用上述偵測受力撓曲之原理，將光纖感測部位置於渦流場中，而對光纖感測的外部形狀作一特殊處理。由於流體流經感測器的部位會有加速減壓或者是減速加壓的效果，因此光纖感測器即感受到其壓力負荷大小，從而換算成平均流速，再乘上管流之截面積可得其流量
。
６．光纖水位高低偵測器：
用來取代偵測水位高低情形之光源及光偵測器，光纖偵測器之體積小，又容易彎曲安排佈置，所以偵測水位高低變化量很方便，如圖14，為油位高低偵測器。對於一些高揮發性化學液體儲槽及油箱的場合，使用電器式水位高低偵測器容易發生危險，使用光纖水位高低偵測器即無安全上之顧慮，許多名牌轎車已使用光纖來偵測油位高低。圖15為光纖油位高低偵測器之簡圖，當油位較光纖偵測器低時，光信號能在光纖中來回傳輸，當油位較光纖偵測器高時，光信號散失於油液中，無法在光纖中來回傳輸。
圖14 光纖用來作為油位高低偵測器
圖15 光纖油位高低偵測器之簡圖
在工廠中使用光纖感測器的場合，考慮一些灰塵、金屬屑對雷射光所造成的影響可將光纖感測頭設計成空氣噴氣潔淨式，利用空氣來清除光纖測頭附近的碎屑。如圖16
圖16 光纖感測頭設計成空氣噴氣潔淨式
二、利用相位干涉的場合：
１．光纖溫度感測器：
利用類似麥克森干涉儀的光路安排，讓光束分成兩路，一為參考光，一為待測光，其中待測光經過待測之溫度場，而與參考光會合後產生干涉，當待測溫度場改變時，參考光也因光纖之熱膨脹及折射率變化而產生相位變化，因此干涉條紋所形成之頻譜也會有變動，利用這個條紋變動量去計算待測之溫度場溫度的改變量。
圖17 光纖光纖溫度感測器
２． 電場感測器：
（１）壓電材料感測法：
光路安排如第八章之麥赫詹達(Mach-Zehender)干涉儀，利用壓電材料被覆於光纖上，當光纖置於磁場中時，壓電材料將使光纖產生縱向應變，而應變之變動量會引起光纖光程長度
之改變， 藉此而使光束之相位產生改變，因此我們可以藉條紋變化量而得知電場之大小(圖18)。用此法檢測磁場可以得到非常靈敏的結果。
圖18 光纖電場感測器
圖19 法拉第旋轉(Faraday Rotation)
（２）法拉第旋轉(Faraday Rotation)法：
如圖19 ，拉第效應是指一個雙折射的透明物置於磁場中時，若一道偏極光束在其內部前進，則其偏極方向將會引起旋轉。偏極方向的旋轉角度量θ與外強磁場強度H成正比，即 θ=VHd,1845年法拉第發現在玻璃上加一磁場時，會使沿著磁場方向前進的偏極光偏極方向偏轉，其中V稱為Verdet常數，由於光纖之Verdet常數小至
min
左右，因此光纖感測器如用法拉第旋轉法只能測大磁場。
圖20 光纖陀螺儀(Gyroscopes)
３．光纖陀螺儀(Gyroscopes)：
光路安排如沙納克(Sanac)或三角(Triangular)干涉儀以分光鏡把一道光分成二部分後，各自以順時針及反時針方向進入光纖，經圓盤上數萬圈纏繞的光纖(如圖20)在會合後形成干涉條紋，，而圓盤旋轉之變動量會引起雷射光在光纖行走的光程長度之改變，此謂之沙納克效應(Sanac effect)我們可以藉條紋變化量而得知圓盤旋轉之微小角速度。
光纖陀螺儀比起傳統性的機械陀螺儀簡單而易於安裝，因此迅速為軍事及工業上的使用者所接受。波音747目前已開始裝置這類型的陀螺儀。
圖20 光纖陀螺儀
４． 光纖法布里－派洛干涉型感測：
圖21為光纖法布里－派洛干涉型感測器，其靈敏度遠勝于其它類型的光纖感測器。光纖法布里－派洛干涉型感測器使用的鏡片反射率為0.95，在二片鏡片間進行多光束干涉，由於不需參考光，因此光纖之光路安排較為容易。
圖21 光纖法布里－派洛干涉型感測器